WMAP midió el fondo cósmico comparando dos regiones del cielo: así funcionaba la sonda

La Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) fue una sonda de NASA dedicada a medir pequeñas diferencias de temperatura en la radiación cósmica de fondo de microondas. Esa radiación, que llena el cielo, fue liberada aproximadamente 375.000 años después del nacimiento del universo. Sus variaciones, aunque diminutas, contienen información sobre las condiciones del cosmos temprano y sobre la estructura primordial a partir de la cual se formaron las galaxias.

El reto instrumental era distinguir esas señales débiles y construir un mapa de todo el cielo. La solución de WMAP no consistía en tomar mediciones aisladas de temperatura absoluta: el instrumento comparaba regiones del cielo, observaba en varias frecuencias y barría repetidamente distintas direcciones. NASA atribuye a sus mediciones información sobre el tamaño, la edad, la geometría y el contenido de materia del universo. Estos son resultados cosmológicos derivados de las observaciones; no deben confundirse con las características físicas del instrumento.

Una señal antigua, con diferencias minúsculas

El fondo cósmico de microondas es la radiación más antigua observada por WMAP en este contexto. La sonda cartografió variaciones de temperatura según la dirección del cielo, conocidas como anisotropías. Para dar una idea de su escala, NASA pone como ejemplo una región con una temperatura de 2,7251 K y otra con 2,7249 K. La diferencia es pequeña, pero su distribución permite estudiar las condiciones del universo temprano.

La misión tuvo un antecedente: en 1992, el satélite Cosmic Background Explorer (COBE) detectó diferencias de temperatura en escalas angulares grandes. Según NASA, WMAP midió esas anisotropías con más detalle y sensibilidad que COBE. El equipo produjo el primer mapa de todo el cielo del fondo de microondas con una resolución de 0,2 grados, al representar las diminutas fluctuaciones de la radiación.

Comparar dos regiones en lugar de medir una temperatura absoluta

WMAP era un experimento diferencial: medía la diferencia de temperatura entre dos puntos del cielo, en vez de determinar por separado la temperatura absoluta de cada uno. La lógica es comparar directamente dos señales. Así, el instrumento podía buscar variaciones entre regiones y reunir comparaciones de muchas zonas en el mapa completo.

El instrumento empleaba radiómetros de microondas refrigerados pasivamente, conectados mediante cintas metálicas a paneles radiadores. También observaba en cinco bandas de frecuencia, de 22 a 90 GHz. NASA señala que esa cobertura se diseñó para facilitar la separación de las señales galácticas en primer plano y la radiación cósmica de fondo. En otras palabras, las bandas ayudaban a distinguir emisiones que se superponen en las observaciones del cielo.

La medición de diferencias de temperatura extremadamente pequeñas exigía prestar atención a posibles errores sistemáticos. Por eso, el diseño reunió la comparación diferencial, las distintas frecuencias y la gestión térmica del observatorio. El material de NASA describe estos elementos como decisiones instrumentales para medir el cielo de microondas con gran precisión.

La órbita y el patrón de barrido

WMAP fue lanzada el 30 de junio de 2001 en una trayectoria asistida por la Luna hacia L2, el punto de libración del sistema Sol-Tierra situado, según NASA, a un millón de millas de la Tierra. La nave orbitó alrededor de esa región. NASA describe L2 como un entorno térmico estable y señala que la disposición permitía una eficiencia de observación cercana al 100 %, con el Sol, la Tierra y la Luna detrás del campo de visión del instrumento.

La propia nave mantenía al instrumento continuamente a la sombra del Sol, la Tierra y la Luna para reducir las perturbaciones térmicas. La estrategia de observación combinaba un giro rápido alrededor del eje de simetría de la nave con una precesión lenta de 22,5° alrededor de la línea Sol-WMAP. Cada línea de visión del telescopio estaba a unos 70° del eje. El movimiento trazaba un patrón que, según la descripción de NASA, alcanzaba los polos eclípticos norte y sur y permitía comparar numerosos píxeles del cielo a lo largo del tiempo.

De las observaciones a las propiedades del universo

Las diferencias registradas por WMAP ayudaron a estudiar el tamaño, el contenido de materia, la edad y la geometría del universo, así como la estructura primordial que creció hasta formar galaxias. NASA atribuye a la misión una estimación de la edad del universo de 13.770 millones de años, con un margen de medio punto porcentual. Esa cifra es una inferencia cosmológica basada en las mediciones, no una lectura directa de un reloj a bordo.

El plan inicial contemplaba una misión nominal de 27 meses: tres meses de tránsito hasta L2 y 24 meses de observación. La misión se extendió para recoger datos adicionales. Las operaciones terminaron en 2010 y el análisis de los datos concluyó en 2013. Así, la duración de la campaña científica superó el plan nominal, mientras que el procesamiento posterior continuó después del fin de las operaciones.

Qué permite concluir el mapa

El caso de WMAP muestra cómo una sonda puede convertir pequeñas diferencias en una herramienta para estudiar el cosmos. La medición diferencial, las cinco bandas, el control de las perturbaciones térmicas y el barrido de todo el cielo forman parte del método. El mapa resultante permitió investigar propiedades cosmológicas a partir de la distribución de la radiación antigua; la edad comunicada por NASA, por ejemplo, se presenta con una precisión estimada de medio punto porcentual.

La evidencia descrita por NASA se refiere a las mediciones de WMAP y a las propiedades que el equipo derivó de ellas. Las variaciones del fondo cósmico constituyen la señal observada; la edad, la geometría y el contenido del universo son interpretaciones cosmológicas construidas a partir de esa señal. Esa distinción ayuda a entender tanto el alcance del mapa como el papel de las decisiones de diseño que hicieron posible obtenerlo.