La colaboración Planck estrecha el cerco sobre la materia oscura y los neutrinos

La colaboración Planck ha revelado, en una conferencia en Ferrara (Italia), los resultados de cuatro años de observaciones del satélite Planck de la ESA (Agencia Espacial Europea). El satélite tiene como objetivo estudiar la radiación fósil (la luz más antigua del Universo).

Esta luz ha sido medida con precisión a lo largo del cielo entero por primera vez, tanto en intensidad como en polarización, produciendo así la imagen más antigua del Universo. Esta luz primordial nos permite "ver" algunas de las partículas más escurridizas del Universo: la materia oscura y los neutrinos fósiles.

Entre 2009 y 2013, el satélite Planck observó radiación fósil, llamada a veces radiación de fondo de microondas (CMB, por sus siglas en inglés). Hoy, con un análisis completo de los datos, la calidad del mapa es tal que las huellas dejadas por la materia oscura y los neutrinos fósiles son claramente visibles.

Ya en 2013 se publicó el mapa de las variaciones en la intensidad de la luz, que muestra en qué lugar del cielo estaba la materia 380.000 años después del Big Bang. Gracias a la medición de la polarización de esta luz , Planck puede ver ya cómo sólia moverse este material.

Por tanto, señala la nota de prensa del Centro Nacional para la Investigación Científica de Francia (CNRS), uno de los organismos que colaboran en el proyecto, nuestra visión del Universo primordial se ha convertido en dinámica. Esta nueva dimensión, y la calidad de los datos, nos permite testear numerosos aspectos del modelo estándar de la cosmología. En particular, arrojan luz sobre las más esquivas de las partículas: la materia oscura y los neutrinos.

Nuevas restricciones

Los resultados de Planck permiten descartar una clase entera de modelos de materia oscura, en los que es importante la aniquilación materia oscura-antimateria) La aniquilación es el proceso por el cual una partícula y su antipartícula desaparecen conjuntamente, seguido de una liberación de energía. En algunos modelos las partículas de materia oscura son sus propias antipartículas.

La existencia básica de la materia oscura está firmemente establecida, pero la naturaleza de las partículas de materia oscura sigue siendo desconocida. Existen numerosas hipótesis sobre la naturaleza física de esta materia, y uno de los objetivos ahora es reducir gradualmente las posibilidades, por ejemplo mediante la búsqueda de los efectos de esta misteriosa materia sobre la materia ordinaria y la luz.

Las observaciones realizadas por Planck demuestran que no es necesario apelar a la existencia de fuerte aniquilación materia oscura-antimateria para explicar la dinámica del universo temprano. Tales acontecimientos habrían producido suficiente energía para ejercer una influencia en la evolución del flujo luz-materia en el universo temprano, especialmente alrededor de la época en que se emitió la radiación fósil. Sin embargo, las observaciones más recientes no muestran indicios de que esto realmente ocurriera.

Estos nuevos resultados son incluso más interesantes cuando se comparan con las mediciones hechas por otros instrumentos. Los satélites Fermi y Pamela, así como el experimento AMS-02 a bordo de la Estación Espacial Internacional, han observado un exceso de rayos cósmicos, que pueden ser interpretados como una consecuencia de la aniquilación de materia oscura.

Teniendo en cuenta las observaciones de Planck, sin embargo, una explicación alternativa para estas mediciones -como que la radiación procede de púlsares no detectados- ha de considerarse, si se formula la razonable hipótesis de que las propiedades de las partículas de materia oscura son estables en el tiempo.

Además, la colaboración Planck ha confirmado que la materia oscura comprende un poco más del 26% del Universo actualmente (cifra que deriva de su análisis de 2013), y ha hecho mapas más precisos de la densidad de la materia unos pocos miles de millones de años después del Big Bang, gracias a las mediciones de temperatura y de polarización.

Detectados neutrinos primordiales

Los nuevos resultados de la colaboración Planck también informan acerca de otro tipo de partícula muy difícil de capturar, el neutrino. Estas partículas "fantasmas", producidas en abundancia en nuestro Sol, por ejemplo, pueden pasar a través de nuestro planeta sin casi ninguna interacción, lo que los hace muy difíciles de detectar.

Por lo tanto el objetivo de detectar directamente los primeros neutrinos, que se crearon en el primer segundo después del Big Bang, y que tienen muy poca energía, no es realista. Sin embargo, por primera vez, Planck ha detectado sin ambigüedad el efecto que estos neutrinos fósiles tienen en los mapas de radiación de fondo.

Los neutrinos fósiles detectados por Planck fueron liberados alrededor de un segundo después del Big Bang, cuando el Universo todavía era opaco a la luz, pero ya transparente a estas partículas, que pueden escapar libremente de ambientes que son opacos a los fotones, como el núcleo del Sol. 380.000 años más tarde, cuando la radiación fósil fue emitida, se grabó en ella la impronta de los neutrinos porque los fotones tenían interacción gravitational con ellos.

Aunque los fotones no tengan masa, según la relatividad general, son sensibles a la fuerza gravitacional que curva el espacio-tiempo. La observación de los fotones más antiguos hizo así posible confirmar las propiedades de los neutrinos.

Las observaciones de Planck son consistentes con el modelo estándar de la física de partículas. En esencia, excluyen la existencia de una cuarta especie de neutrinos (según el modelo estándar hay tres), una posibilidad previamente considerada sobre la base de los datos finales del satélite WMAP, el predecesor estadounidense de Planck.

Por último, Planck hace posible el establecimiento de un límite superior a la suma de las masas de las tres clases de neutrinos, actualmente fijado en 0,23 eV (electrón-voltios, unidad de energía que se utiliza como unidad de masa por la equivalencia entre masa y energía en relatividad). La partícula de menor masa después del fotón y el neutrino pesa más de 2 millones de veces la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos.

El conjunto completo de datos de la misión, junto con artículos relacionados, serán sometidos a evaluación por la revista Astronomy & Astrophysics (A & A), y estarán disponibles el 22 de diciembre en la web de la ESA.

Estos resultados proceden principalmente de las mediciones realizadas con el Instrumento de Alta Frecuencia (HFI), concebido y montado por instituciones de investigación francesas.