De Salta al universo: por qué el telescopio Qubic es un instrumento único en el mundo

Salta podría ser el sitio en donde la comunidad científica mundial compruebe la teoría que afirma que el universo se expandió a una velocidad increíble en una fracción infinitesimal de segundo después del Big Bang, la explosión inicial que dio origen al cosmos que hoy conocemos.

Es que esta semana se inauguró en el paraje salteño de Alto Chorrillos, a 4.980 metros de altura sobre el nivel del mar, el observatorio QUBIC, un instrumento de precisión único en el mundo construido en Francia gracias a la colaboración de ese país junto con Argentina, Italia, Estados Unidos, Gran Bretaña e Irlanda, para comprobar la existencia de los “modos B”, un tipo de señales que se habrían generado en el mismo momento de la creación del universo.

Así el Proyecto QUBIC (Q-U Bolometric Interferometer for Cosmology o bien Q-UInterferómetro Bolométrico para Cosmología) busca con una serie de aparatos detectores, encontrar por primera vez en la radiación de fondo cósmico el rastro de las ondas gravitacionales primordiales que tuvieron lugar luego de la primera explosión del universo. Alberto Etchegoyen, representante argentino del proyecto QUBIC y director del Instituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (ITeDA), explicó a Infobae que con esta investigación se buscan la forma B de polarización del campo eléctrico de la radiación del fondo cósmico (CMB, por Cosmic Microwave Background), que es un remanente fósil del origen del Universo, que podría servir como indicador de la existencia de ondas gravitacionales primordiales generadas en las primeras etapas del Big Bang.

El fondo cósmico de microondas es la radiación remanente, reliquia del origen del universo, que quedó a partir del desacoplamiento de los fotones de la materia que tuvo lugar durante el universo temprano, unos 380.000 años después del Big Bang.

Es que según la teoría general del Big Bang (la más aceptada por la cosmología actual para explicar el inicio del espacio, el tiempo, la energía y la materia), hace 13.800 millones de años ocurrió un gran estallido que dio origen al universo. Y solo 10-33 segundos después (solo microsegundos) comenzó la etapa llamada inflación cósmica, teorizada por los astrofísicos Alan Guth y Andréi Linde en los años 80, que es el momento en que el universo comenzó una muy rápida expansión cósmica.

Beatriz García, astrofísica, vicedirectora del ITeDA e integrante del directorio de QUBIC, precisó a Infobae que encontrar la polarización B significaría descubrir algo que todos están esperando para confirmar la teoría de la inflación cósmica.

“Con este experimento, se sabría en forma científica que unos 380.000 años después del Big Bang aparecieron las primeras ondas gravitacionales primordiales. La teoría predice muchas cosas como la existencia de un universo plano, que lo tenemos. Predijo las fluctuaciones en densidad, que también están. Y también predijo la existencia de las ondas gravitacionales primordiales que generaría la inflación del universo, antes de la existencia de la propia materia. Es parte de explicar la evolución del universo”, sostuvo la científica del Conicet.

Y agregó: “Con este experimento se detectaría en la radiación de fondo en microondas, la evidencia de que alrededor de las 10-35 segundos después del Big Bang, se produjeron ondas gravitacionales, una predicción de la teoría de la Inflación”.

Con este complejo telescopio los científicos podrán detectar y estudiar la radiación cósmica del fondo de microondas, predicha en 1948 por el astrofísico ucraniano George Gamow, quien pensó que miles de millones de años después del Big Bang debía persistir una débil radiación difusa originada a partir de esa explosión, que llamó radiación cósmica de fondo. “Esos momentos son los albores del universo, fracciones de segundos después de la explosión original que dio comienzo a la inflación cósmica”, sostuvo Echegoyen, que afirmó que si se comprueba eso, que no es otra cosa que la comprobación de la creación del universo, eso vale un premio Nobel.

“Después de 15 años de trabajos científicos muy complejos es un éxito que podamos inaugurar un telescopio único en el mundo que se desarrolló bajo la idea de juntar la bolometría con la interferometría en un mismo instrumento. Las señales lumínicas que buscamos identificar son muy tenues porque vienen desde el origen mismo del universo, y la presencia de estrellas o el rebote de la luz en el polvo espacial podría evitar que las detectemos, para eso desarrollamos unos sensores muy sensibles que trabajan a -273 grados centígrados que nos van a permitir tomas algo parecido a una fotografía de larga exposición que es lo que se suele hacer para sacar una foto cuando hay poca luz”, explicó el cosmólogo francés Jean Christophe Hamilton, investigador principal del proyecto QUBIC e integrante del organismo científico de Francia.

“Al telescopio James Webb le toma 12 horas de exposición crear la imagen que finalmente vemos. Y estará preparado para observar imágenes de cómo era el universo aproximadamente 400 millones de años después de su nacimiento. Y al telescopio Hubble le toma una semana generar la misma imagen. Es una exposición larga. Aquí, con QUBIC, hay que sumar muchos datos hasta tener la relación señal –ruido que se necesita por eso le tomará hasta tres año lograrlo. Este telescopio es distinto por la combinación de varias técnicas en un solo aparato, con la capacidad de ´observar´ lo que sucedió solo 400.000 años después del Big Bang”, dijo García.

“Lo más novedoso es la posibilidad de dividir la radiación de fondo cósmico en varias bandas, y así obtener imágenes, un espectro de cada región centrada, no solo una imagen centrada de la radiación. Eso te reduce los errores que podrías tener de aquello que polariza la luz y que no es la inflación cósmica pero sí es polvo galáctico. Eso es lo que finalmente detectó el proyecto Bicep, que buscaba originalmente lo que buscamos ahora nosotros. Pero al combinar sus observaciones con la del telescopio espacial Planck observaron la polarización producida por el polvo galáctico, por eso no descubrieron al final el modo B, lo que hizo que todos los experimentos detrás de Bicep, resucitaron, como QUBIC”, agregó el experto.

El cosmólogo añadió que “un proyecto de características similares ya se había llevado adelante en la base Concordia que Francia e Italia comparten en la Antártida, pero la logística para sostener ese esfuerzo era muy grande y buscando alternativas nos encontramos con que Argentina, además de disponer de un territorio ideal por su ubicación, altura y clima, también disponía de personal científico muy calificado para sumarse a la iniciativa”.

La astrofísica italiana Silvia Masi, perteneciente a la Universidad de Sapienza y al Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, también formó parte de la comitiva científica que estuvo en Salta y afirmó que “la inauguración de este observatorio es apenas el inicio, porque la colaboración internacional pocas veces vista como la que hay detrás de esta iniciativa augura muchos éxitos por delante”.

“Una de las tareas que tuvo a su cargo del segmento italiano del proyecto era el desarrollo del criostato para enfriar a muy bajas temperaturas los sensores que se estaban desarrollando en Francia y en el Reino Unido, cuando nuestra tarea estuvo terminada el instrumento viajó a Francia para integrar los sensores, y después viajó en un buque hasta Buenos Aires desde donde un camión lo trajo a Salta, dónde se hicieron las pruebas e integraciones finales durante el último año”, precisó la especialista.

Manuel Platino, gerente de operaciones del proyecto QUBIC e integrante de ITeDA, afirmó que, “entre otras cosas, Argentina tomó a su cargo el desarrollo de la montura del telescopio, que es la que le permite moverse sobre los tres ejes para realizar el registro de datos de un determinado sector del cielo”. “Después de tres años de trabajo se va a tener un volumen suficiente de datos como para comenzar los primeros análisis, aunque eso también va a requerir un arduo trabajo previo de procesamiento de esos tres años de datos”, puntualizó el experto a Infobae.

Y agregó: “El proceso de creación de los primeros neutrones y protones a partir de los 400.000 años de la creación del Universo son las huellas de las ondas gravitacionales primordiales. Debemos escanear durante mucho tiempo estimado en años para detectar esas huellas tan lejanas en el tiempo. En todo escaneo y procesamiento de datos debemos quitar los datos erróneos que captemos provenientes de nuestra atmósfera, la Vía Láctea, otros objetos celestes, galaxias, cúmulos de galaxias, etc. Todo ese requiere un pos procesamiento muy minucioso que lleva tiempo. Y allí, de tener éxito, es cuando podríamos detectar finalmente los modos B que tanto estamos buscando. Esperemos que no nos pase lo mismo que pasó a un equipo de científicos internacionales con el proyecto Bicep, que detectaron los modos B pero provenientes del polvo galáctico de la Vía Láctea y no de las primeras etapas del universo. La Vía Láctea tiene polvo galáctico que absorbe la radiación del Big Bang y la irradia en la misma polarización. Nosotros debemos discernir eso y buscar los originarios del primer estallido cósmico”.

“Esos tres años es como tomar una foto con poca luz, que requiere un tiempo de exposición mucho mayor. Cuando hay mucha luz, se puede hacer un tiempo de exposición corto. Este telescopio es capaz de detectar desde París, la luz de una vela encendida en la pirámide de Giza en Egipto”, añadió el experto científico francés Steve Torchinsky que viajó a la puna salteña para observar el funcionamiento del instrumento y participar de la inauguración.

“Si no llegamos a ver nada, también es un descubrimiento, ya que la teoría de la inflación del universo ya está probada en varios aspectos. Por ejemplo, la polarización en modo E fue probada por el telescopio Planck en 2014. Los modos B como tienen una magnitud 1000 veces menor que los modos E, son más difíciles de medir. Son la “pistola caliente o clave” para explicar la teoría de la inflación del cosmos, según la comunidad científica. Ninguna otra teoría explicaría ese tipo de polarización en el espacio. Sería como encontrar el link entre modo macroscópico y el mundo quántico. Estaríamos mostrando como los quarks se estaban condensando para formar protones de luz”, agregó Platino.

QUBIC es un instrumento que no trabaja con luz visible, sino con radiación no detectable por el ojo humano, en la región de bajas energías del espectro electromagnético.

Está encerrado en una carcasa cilíndrica o criostato de 1,8m de alto y 1,6m de diámetro, que lo protege y mantiene a -273°C. Está abierto al cielo por una ventana de 45cm de diámetro de polietileno rígido de alta densidad, transparente a la radiación de microondas que el experimento procura medir; examina meticulosa y detalladamente el espacio en dos frecuencias: 150 y 220GHz, y registra dicha radiación con una novedosa técnica, híbrida entre dos técnicas utilizadas en estudios de CMB (llamadas respectivamente interferometría y bolometría) mediante un conjunto de 1024 fotodetectores, cuyas señales permiten analizar las características de la radiación en estudio. Para detectar la señal, el criostato esta refrigerado globalmente a unos 4 kelvin (correspondiente a -269,15°C, ), pero los sensores bolométricos deben trabajar a temperaturas 10 veces menores (~300 mK).

Esto implica el diseño de un complejo sistema de refrigeración a base de criostatos que funcionan con un circuito cerrado que combina dos tipos de helio líquido, todo un sistema especialmente diseñado para QUBIC, un instrumento único en el mundo que por primera vez combinará la interferometría (una familia de técnicas que consisten en combinar la luz proveniente de diferentes receptores, telescopios o antenas de radio para obtener una imagen de mayor resolución aplicando el principio de superposición), con la bolometría (cantidad total de radiación electromagnética que viene de un objeto en todas las longitudes de onda) es decir que funciona midiendo su temperatura.

El instrumento fue diseñado por los integrantes de la colaboración internacional QUBIC y estuvo en construcción en diferentes laboratorios e institutos argentinos y europeos.

En Francia se trabajó sobre los detectores, el diseño de la mecánica de estos, la electrónica de lectura y la programación; en Italia, sobre el crióstato, los espejos, las bocinas de las antenas y los conectores; en Irlanda, sobre simulaciones ópticas; en Inglaterra, sobre el diseño del detector de bocinas, la criogenia interna, los filtros y el polarizador, y en la Argentina, sobre la adecuación del sitio, su infraestructura y el diseño mecánico de la montura. Además, nuestro país tiene el desafío de ampliar el campo de observación del telescopio que actualmente funciona con un instrumento y para su “upgrade” necesita tres instrumentos más.

La elección del sitio, como lo fue la puna salteña, para realizar mediciones astrofísicas de envergadura depende de un conjunto de factores, entre ellos los relacionados con la claridad del cielo, la temperatura, la velocidad del viento y la humedad relativa del aire (que es el parámetro crítico si se procura registrar microondas, pues la humedad afecta la sensibilidad del instrumento). La geología, la accesibilidad, las comunicaciones (en particular el acceso a internet), el apoyo local y la posibilidad de incorporar personal local de diferentes niveles, también forman parte de esos cruciales factores que en Salta pudieron combinarse para hacerse realidad.

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