Proyecto Fondecyt busca señales del universo temprano ocultas en el Fondo Cósmico de Microondas

Mucho antes de que existieran galaxias, estrellas o planetas, el universo habría atravesado un episodio extremadamente breve y violento de expansión acelerada, conocido como inflación cósmica. Según las teorías actuales, durante una fracción infinitesimal de segundo el cosmos se expandió de manera exponencial, generando pequeñas fluctuaciones cuánticas que más tarde se transformarían en las semillas de toda la estructura observable del universo: galaxias, cúmulos y grandes filamentos de materia cósmica.

Aunque esta idea constituye uno de los pilares de la cosmología moderna, demostrar experimentalmente que la inflación realmente ocurrió sigue siendo uno de los mayores desafíos de la física contemporánea. Esa es precisamente la pregunta que busca abordar un nuevo proyecto Fondecyt Regular de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) liderado por la académica del Departamento de Física (DFI) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la Universidad de Chile, Dra. Claudia Scóccola.

El proyecto, titulado “Estudiando la inflación y la estructura cósmica con los modos B de polarización, el fondo cósmico de radiación y técnicas de aprendizaje automático”, investigará señales extremadamente débiles presentes en el Fondo Cósmico de Microondas (CMB), la radiación remanente del Big Bang, con el objetivo de poner a prueba modelos de inflación cósmica y avanzar en la comprensión del origen y evolución del universo.

Los modos B

“La inflación es una propuesta para resolver varios problemas del modelo clásico del Big Bang y, además, provee el mecanismo que genera las semillas que dan origen a las galaxias: toda la estructura de galaxias que se observa se forma a partir de pequeñas fluctuaciones en la densidad de materia, que crecen por atracción gravitatoria. El problema es que no podemos observar directamente esa etapa temprana del universo, por lo que debemos buscar huellas indirectas”, explica Claudia Scóccola.

Una de esas huellas serían los llamados modos B de polarización del CMB, patrones extremadamente sutiles en la polarización de esta radiación primordial. Según las predicciones teóricas, estos modos B primordiales podrían haber sido producidos por ondas gravitatorias generadas durante la inflación cósmica. “Detectar estos modos B permitiría testear la inflación y distinguir entre distintas teorías sobre cómo ocurrió este proceso en el universo temprano”, señala la investigadora.

Sin embargo, medir esta señal representa un enorme desafío experimental y computacional. Los modos B son extremadamente débiles y aún no han sido detectados de forma concluyente. Además, la señal observada puede contaminarse por múltiples efectos físicos y observacionales. Entre ellos destaca el fenómeno de lente gravitacional, donde la luz del Fondo Cósmico de Microondas se distorsiona al atravesar la materia distribuida en el universo. Este efecto puede generar una señal similar a los modos B primordiales, dificultando su identificación.

A esto se suma la emisión polarizada proveniente de nuestra propia galaxia y el ruido instrumental de los telescopios, factores que también pueden imitar o enmascarar la señal buscada. “Como la señal es tan débil, el desafío es hacer cada etapa del análisis de datos de la manera más precisa posible, para no perder la información cosmológica real ni confundirla con ruido”, detalla Scóccola. 

Para enfrentar este problema, el proyecto combinará herramientas avanzadas de cosmología de precisión con técnicas de aprendizaje automático e inteligencia artificial. Entre ellas se utilizarán métodos de machine learning para mejorar la limpieza de mapas cosmológicos, modelar contaminantes galácticos e instrumentales, corregir efectos de lente gravitacional y optimizar la extracción de parámetros cosmológicos. 

Grandes observatorios

La investigación se desarrollará en conexión con importantes colaboraciones científicas internacionales, incluyendo QUBIC y el Simons Observatory, además de combinar datos cosmológicos con futuras observaciones de estructura a gran escala provenientes del Observatorio Vera Rubin. “La idea es contribuir tanto al desarrollo metodológico como al análisis científico dentro de estas grandes colaboraciones internacionales”, destaca Scóccola. 

La investigación apunta a fortalecer el desarrollo de herramientas avanzadas para cosmología observacional y análisis de grandes volúmenes de datos astronómicos, un área estratégica para la astronomía y física contemporánea. “Buscamos poner a prueba las ideas actuales sobre el origen del universo de la manera más precisa posible”, concluye la investigadora. 

El proyecto involucra además a estudiantes e investigadores jóvenes del área de cosmología y análisis de datos, entre ellos Matías Zúñiga, Lucas Merlo, Jorge Barja, Bárbara Gutiérrez,  Julián Proboste, y Belén Costanza. 

La adjudicación de este Fondecyt Regular consolida el trabajo del Departamento de Física de la FCFM de la Universidad de Chile en cosmología y física fundamental, contribuyendo al desarrollo de investigación de frontera en uno de los grandes problemas abiertos de la ciencia moderna: comprender cómo fueron los primeros instantes del universo.