Fondo cósmico de microondas y origen del Universo

Telescopio orbital Planck, de la Agencia Espacial Europea, lanzado al espacio en 2009. (Fuente: http://www.esa.int)

En 2013, el equipo de científicos responsable de estudiar los resultados ofrecidos por el telescopio orbital Planck daba a conocer el hasta ahora más detallado y preciso mapa del fondo cósmico de microondas o radiación cósmica de microondas. Sólo unos meses antes, otro equipo de científicos anunciaba resultados también novedosos provenientes del análisis de los datos proporcionados por otro satélite específicamente destinado a estudiar esta radiación. Quizá pueda resultarte llamativo que se dediquen tantos esfuerzos a cartografiar una energía tan débil que apenas equivale a unos grados por encima del cero absoluto, pero en las siguientes líneas podrás entender qué es lo que  despierta tanto interés de los científicos.

Comienzos difíciles para la teoría del Big Bang

A veces, cuando se dan a conocer teorías científicas a los estudiantes, se las presenta como productos perfectamente completos, establecidos y aceptados que no admiten dudas ni zonas de sombra. Se presentan también desprovistas de su contexto histórico, de las circunstancias personales de quienes trabajaron en ellas y de las “zonas oscuras” que acompañan a los postulados esenciales de la misma. Se suele justificar este estilo en aras de una mayor simplicidad para presentar las ideas, pero, a fuerza de adoptar esta actitud, se corre el riesgo de sugerir una Ciencia tan irreal como aburrida. A estas alturas estoy convencido de que sabes que la Ciencia no suele avanzar de esta manera y que muchas de las grandes  teorías científicas actualmente aceptadas pasaron por periodos de rechazo o indiferencia. La teoría del Big Bang es un ejemplo más de todo esto y, probablemente sabrás que el fondo cósmico de microondas es una pieza clave en el desarrollo de la teoría.

Edwin Hubble, demostró el fenómeno de la expansión del Universo (Fuente: http://www.biografiasyvidas.com)

Cuando en 1929 Edwin Hubble demostró que todas las galaxias del Universo se alejan una de otras y que, por tanto, el Universo se halla en un proceso de expansión, los cosmólogos debieron asumir este hecho y reinterpretar sus teorías sobre la naturaleza del cosmos. Hacia 1948 diversos científicos de entre los que destaca Geroge Gamow habían elaborado y dado a conocer una nueva teoría que trataba de explicar los últimos descubrimientos realizados sobre el Universo mediante la hipótesis de un origen “explosivo”. Gamow no terminó de bautizar su teoría con ningún nombre concreto, pero por una casualidad que descubrirás unas líneas más tarde, fue mundialmente conocida como la teoría del Big Bang.

Esta teoría es el modelo mejor conocido y más aceptado actualmente de cuantos se elaboraron hacia finales de la década de los 40 del siglo pasado para explicar la formación y evolución del Universo, pero no fue el único.

La teoría del estado estacionario fue durante más de una década otra teoría rival para la cual el hecho de que el Universo se expandiera no implicaba que este cambiara sustancialmente a lo largo del tiempo. Para ello defendía que su densidad (un aspecto clave para determinar su evolución) se mantenía constante gracias a la creación de una cantidad de materia que compensaba exactamente el aumento de volumen debido a la expansión.

La teoría del estado estacionario propugnaba un Universo en equilibrio permanente que mantenía las mismas estructuras en todos los puntos del mismo sea cual fuera el lugar o el momento del tiempo que se considerase. Frente a ella, la teoría del Big Bang defendía un comienzo tumultuoso que obligaba a calcular una fecha de de “nacimiento” y que marcaba el inicio de una evolución en la que el cosmos había ido modificando sus propiedades y generando nuevos procesos de formación de cuerpos celestes.

Sir Fred Hoyle, defensor de la teoría del estado estacionario de Universo. (Fuente: http://www.genteconconciencia.es)

Hay que decir que la teoría del estado estacionario tuvo inicialmente un gran número de defensores. Por el contrario, la teoría del Big Bang parecía demasiado exótica, demasiado transgresora, demasiado catastrófica y los tiempos del catastrofismo habían pasado hacía un siglo, así que la elegancia de la teoría del estado estacionario sedujo a muchos científicos que se inclinaron por ella. De hecho, el término de Big Bang no fue propuesto por sus creadores sino por uno de sus principales detractores, el cosmólogo Fred Hoyle, quien empleó el término para referirse con cierto desprecio a esta joven teoría. Paradójicamente, el término, a diferencia de la teoría a la que daba nombre, ganó adeptos rápidamente y terminó imponiéndose a todos los demás.

El problema para la teoría del estado estacionario fue que, con el tiempo, las nuevas evidencias comenzaron a acumularse en su contra. Por ejemplo, comenzaron a identificarse nuevas estructuras celestes, como los quásars, que sólo se localizaban en posiciones extremadamente alejadas y nunca a distancias menores, lo que obligaba a suponer que en el pasado, el Universo había sido muy diferente a como es ahora.

Pero en esta rivalidad entre teorías hubo un descubrimiento que inclinó la balanza claramente a favor de la teoría del Big Bang, dándole el espaldarazo decisivo para su aceptación: El fondo cósmico de microondas. Para muchos científicos, el fondo cósmico de microondas o radiación cósmica de fondo es la prueba más importante de todas a favor de la teoría del Big Bang.

Qué es el fondo cósmico de microondas

El fondo cósmico de microondas es una radiación electromagnética que “inunda” todo el Universo conocido y que puede ser detectada desde la Tierra procedente desde todas direcciones, sea cual sea la dirección con la que se oriente la antena receptora.

Las microondas no son ningún tipo de energía misteriosa. De hecho, empleamos microondas para calentar alimentos en hornos, para el funcionamiento de redes inalámbricas o para el funcionamiento de radares. Las microondas son un tipo  de radiación electromagnética como también los son los rayos gamma, la luz visible, la radiación infrarroja o las ondas de radio.

Espectro de radiación electromagnética. Observa la posición de la luz (radiación visible) entre los distintos tipos de radiación electromagnética.

Espectro de radiación electromagnética.

Todas estas formas de energía tienen en común que están constituidas por fotones, unas partículas sin masa que se desplazan todas a la misma velocidad (300.000 km/s en el vacío) y que tienen asociada una onda que caracteriza su campo electromagnético. Lo que diferencia a unos fotones de otros es, simplemente, la longitud de onda (y, por tanto, la frecuencia) de la onda asociada a su campo de energía electromagnética. Si quieres conocer más detalles de este tipo de energía te sugiero esta otra entrada del blog sobre radiación electromagnética.

En el caso que nos ocupa, las microondas corresponden a fotones que poseen longitudes de onda de 1 mm a 1 m (que equivale a frecuencias de 300 GHz a 300 MHz, respectivamente). Como vez, se trata de un rango bastante amplio. Los hornos microondas, por ejemplo, suelen emplear microondas de 2,4 GHz. El fondo cósmico de microondas está formado por fotones con diferentes longitudes de onda con un pico de intensidad en torno a una longitud de onda de 2 mm (160,2 GHz). Lo curioso de esta radiación no  es sólo que esté y provenga de todas partes sino que su  espectro, es decir, la distribución de intensidades de diferentes longitudes de onda se ajusta, con increíble perfección, a la emisión de un cuerpo negro, es decir, un objeto teórico que se encuentra en equilibrio térmico perfecto.

Espectro de la radiación del fondo cósmico de microondas. (Fuente: http://www.wikipedia.com). Observa cómo los puntos rojos (mediciones de satélite) coinciden perfectamente al modelo teórico de cuerpo negro.

El origen del fondo cósmico de microondas

De acuerdo con la teoría del Big-Bang, en los primeros cientos de miles de años tras la gran explosión, la temperatura del Universo fue tan alta que los protones y los electrones no podían unirse para formar átomos. Recuerda que la temperatura es en realidad una medida de la “agitación” de las partículas. La asociación de partículas atómicas tales como protones y electrones requiere una cierta estabilidad para poder interactuar de forma duradera (imagínate intentando construir un castillo de naipes dentro de un todoterreno que recorre a toda velocidad un pedregal…). Así pues, en este primer periodo del Universo, los electrones estaban libres (sin formar parte de átomos) y esto les permitía interactuar con otras partículas menos “delicadas”, por ejemplo, los fotones.

En un Universo repleto de electrones libres, los fotones se hallarían interactuando permanentemente con los electrones mediante un mecanismo de transferencia de energía llamado efecto Compton. Esta interacción mantendría “atrapados” a los fotones, impidiéndoles desplazarse en el espacio, como si el mar de electrones fuese un sopa demasiado espesa. Imagínate en una fiesta llena de gente conocida: quieres llegar a la mesa de las bebidas pero no para de cruzarse contigo gente que conoces y con las que tienes que intercambiar unas palabras. Al cabo de un rato, no has conseguido avanzar ni un centímetro y ¡la mesa de las bebidas sigue igual de lejos…! Por eso se dice que el Universo en aquel periodo era opaco para los fotones (igual que la fiesta para ti).

Pero unos 380.000 años tras el BigBang, el Universo se enfrió lo suficiente para provocar un cambio fundamental. Los electrones pudieron a asociarse a los protones y formar átomos (sobre todo de Hidrógeno). Y así, mientras el universo se llenaba de estos átomos simples, al mismo tiempo,  se  vació de electrones libres. De esta forma, los fotones se vieron liberados de su intensa interacción con los electrones y el Universo se volvió “transparente ” para ellos, por lo que éste se inundó con una enorme radiación electromagnética  formada por fotones libres viajando en todas direcciones.

Los fotones liberados entonces debían poseer longitudes de onda bastante pequeñas, es decir, frecuencias bastante altas (debían ser en gran parte fotones de luz y aún más energéticos) pero con el paso de los miles de millones de años, fueron perdiendo energía y sus longitudes de onda han ido haciéndose más largas, hasta transformarse en los fotones de microondas que son actualmente.

Cómo es el fondo cósmico de microondas

Detectar una forma de energía tan débil no es nada fácil. De hecho hasta 1964 nadie había hallado rastro de esta radiación a pesar que algunos científicos como Robert Gamow ya habían predicho que debía existir. El problema era que, en una sociedad que ya hacía uso las ondas electromagnéticas de bastante potencia para diversos fines, la señal del fondo cósmico de microondas que llegaba hasta la Tierra pasaba totalmente desapercibida. El honor de detectar por primera vez esta radiación relacionada con el origen del Universo correspondió a Arno Penzias y Robert Wilson, quienes trabajaban para la empresa de comunicaciones Bell en Estados Unidos e investigaban sobre comunicaciones a larga distancia con un radiómetro de grandes dimensiones. Usando dicho dispositivo identificaron lo que podría haberse confundido con un “ruido” o interferencia electromagnética captada por su radiómetro.

Antena radimétrica empleada por Penzias y Wilson Con la que detectaron por primera vez el fondo cósmico de microondas o radiación cósmica de fondo. (Fuente: http://www.esmateria.com)

Lo más sorprendente es que aquella débil señal electromagnética no parecía proceder de ningún punto concreto, sino que se detectaba fuera cual fuese la orientación de la medición del radiómetro: Procedía de todas partes. Otro equipo de investigadores habían construido un radiómetro similar casi al mismo tiempo que Penzias y Wilson y estaban buscando exactamente la radiación predicha. Es famoso el enfado de Dicke, director del otro equipo, cuando supo que otros se les habían adelantado, pero lo cierto es que cuando saltó la noticia de los hallazgos de Penzias y Wilson no hubo duda de lo qué significaba aquel descubrimiento.

Aunque resulte aparentemente contradictorio el fondo cósmico de microondas es a la vez homogéneo (isótropo, o igual en todas direcciones) y heterogéno (anisótropo, con diferencias según la dirección en que se mida). Todo es cuestión de la escala a la que se mida.

Inicialmente, se consideró que el fondo cósmico de microondas era muy homogéneo, es decir, la intensidad de la radiación era la misma en todas direcciones. Este detalle fue una seña de identidad que permitió diferenciar esta radiación de la procedente de cuerpos celestes concretos. Además la variedad de fotones que formaban dicha radiación era muy diferente de la que provenía de cuerpos celestes como estrellas o galaxias. Se puede decir que a gran escala,  a grandes rasgos, el fondo de microondas es isótropo, homogéneo.

Comparación de imagenes del fondo cósmico de microondas construidas a partir de la información suministrada por varios satélites especialmente diseñados para estudiar esta radiación. Observa cómo ha ido mejorando la resolución de la información captada.

Pero  cuando se pudo mejorar la precisión de las medidas, comenzaron a detectarse pequeñas variaciones de intensidad o temperatura del fondo cósmico de unas zonas a otras. A pesar de que las diferencias son muy pequeñas, los científicos se dieron pronto cuenta de la importancia que podían tener, y comenzó una larga historia para mejorar cada vez más el mapa del fondo cósmico de microondas. El mejor de todos estos mapas hasta la fecha se ha podido elaborar con los datos proporcionados por el satélite Planck. Dicho mapa muestra con precisión las pequeñas diferencias de unas zonas a otras en la radiación cósmica de fondo. Así pues el fondo cósmico de microondas es también anisótropo.

Imagen de las anisotropías del fondo cósmico de microondas construida con la información suministrada por el telescopio orbital Planck. (Fuente: http://www.lostiempos.com)

Parte de estas pequeñas diferencias pudieron originarse en el mismo momento de liberación de los fotones, cuando estos se desacoplaron de los electrones al comienzo del Universo (se le llama anisotropía primaria)  y, por tanto, nos estaría indicando que, desde su origen, el Universo ya presentaba pequeñas diferencias de unos lugares a otros, que serían responsables de la estructura actual del Universo y que explicarían la actual distribución de estructuras en el Universo. Los científicos creen que pueden sacar aún mayor partida de esta información y continúan estudiando esta radiación que trae hasta el presente una “foto” del Universo en su más tierna infancia, cuando aún no existían  estrellas ni galaxias. Se trata, en suma, de comprender mejor el Universo actual a través de la información que el fondo cósmico de microondas nos proporciona sobre su pasado.

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