Fondo cósmico de microondas
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Fondo cósmico de microondas. Si nuestro radiotelescopio fuera capaz de sintonizar frecuencias cercanas a los 280 GHz, observaríamos que la intensidad de la señal disminuye a ambos lados de una forma particular y sorprendentemente equivalente a la señal que mediríamos a la salida de un pequeño agujero realizado en las paredes perfectamente absorbentes de un objeto hueco (un cuerpo negro) a unos 2,73 grados por encima del cero absoluto de temperatura. Técnicamente se suele llamar a esta señal Fondo Cósmico de Microondas (es habitual utilizar las siglas inglesas CMB, de Cosmic Microwave Background).
Sumario
Características
Sólo el modelo del Big Bang nos da una respuesta simple a la existencia de este fondo de microondas. Si el universo está en expansión, éste podría haber sido más pequeño, más denso y más caliente en el pasado. En algún momento la temperatura era tan alta que ni siquiera los átomos podían existir como tales, encontrándose los electrones desligados de los núcleos.
En esas condiciones los electrones interaccionan con las partículas de luz (los fotones) de una forma muy eficiente. En otras palabras, la luz estaba en estrecho contacto con la materia alcanzando ambas un equilibrio térmico perfecto. Pero la expansión del universo enfriaba el entorno hasta que alcanzados unos 3000K los electrones empezaron a combinarse rápidamente con los núcleos formando átomos
En ese momento la luz empezó a viajar libremente encontrando cada vez menos electrones a su paso. Esa luz sigue entre nosotros (unos 400 fotones por metro cúbico), pero la expansión del universo ha tenido como efecto el disminuir drásticamente la frecuencia hasta convertirla en microondas.
Historia
El CMB fue detectado por primera vez por dos técnicos de los laboratorios Bell, Arno Penzias y Bob Wilson en 1965 (ver una historia detallada del la predicción y la detección de esta señal).
Poco después del descubrimiento de la radiación de fondo, en 1967 Sachs y Wolf (1967, ApJ, 147, 73) sugerían que los primeros agrupamiento de materia que terminarían por formar las grandes estructuras galácticas que vemos en la actualidad podrían haber producido fluctuaciones de la intensidad de la radiación de fondo en regiones diferentes del cielo. Esto sería debido básicamente a que los fotones que nos han llegado desde regiones de mayor densidad de materia tienen que escalar la barrera mayor de potencial gravitatorio y perder energía (ver Martin White & Wayne Hu 1996 para una derivación pedagógica del efecto).
Pero no se decepcione el lector. El rango de fluctuación medida equivale a unos 30 microKelvin en temperatura. Esto se puede convertir en potencial gravitatorio mediante el resultado obtenido por Sachs and Wolf y el resultado en una diferencia de potencial equivalente a una diferencia de alturas de 2 ua (unidades astronómicas), considerando una aceleración de la gravedad constante e igual a la existente en la superficie de la Tierra: los valles de potencial en el universo primitivo eran realmente bastante apreciables.
Modelos estáticos y de expansión del universo
Los Modelos del Universo de acuerdo con la teoría generalmente aceptada de la Gran Explosión, el Universo se originó entre hace 10.000 y 20.000 millones de años atrás y se ha ido expandiendo desde entonces. El futuro del Universo es incierto: la expansión podría ser limitada (Universo cerrado), contrayéndose el Universo sobre sí mismo, o podría ser infinita (Universo abierto), en cuyo caso el Universo seguirá expandiéndose siempre. En el caso límite entre estas dos posibilidades (Universo plano), tampoco cesará la expansión.
En 1917 Albert Einstein propuso un modelo del Universo basado en su nueva teoría de la relatividad general. Consideraba el tiempo como una cuarta dimensión y demostró que la gravitación era equivalente a una curvatura del espacio-tiempo cuatridimensional resultante. Su teoría indicaba que el Universo no era estático, sino que debía expandirse o contraerse. La expansión del Universo todavía no había sido descubierta, por lo que Einstein planteó la existencia de una fuerza de repulsión entre las galaxias que compensaba la fuerza gravitatoria de atracción. Esto le llevó a introducir una “constante cosmológica” en sus ecuaciones; el resultado era un universo estático. Sin embargo, desaprovechó la oportunidad de predecir la expansión del Universo, lo que Einstein calificaría como “el mayor error de mi vida”.
Evolución del universo
Uno de los problemas sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer). Un intento de resolver este problema es determinar si la densidad media de la materia en el Universo es mayor que el valor crítico en el modelo de Friedmann. La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas; multiplicando la masa de cada galaxia por el número de galaxias se ve que la densidad es sólo del 5 al 10% del valor crítico. La masa de un cúmulo de galaxias se puede determinar de forma análoga, midiendo el movimiento de las galaxias que contiene. Al multiplicar esta masa por el número de cúmulos de galaxias se obtiene una densidad mucho mayor, que se aproxima al límite crítico que indicaría que el Universo está cerrado. La diferencia entre estos dos métodos sugiere la presencia de materia invisible, la llamada materia oscura, dentro de cada cúmulo pero fuera de las galaxias visibles. Hasta que se comprenda el fenómeno de la masa oculta, este método de determinar el destino del Universo será poco convincente.
Muchos de los trabajos habituales en cosmología teórica se centran en desarrollar una mejor comprensión de los procesos que deben haber dado lugar a la Gran Explosión. La teoría inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales. Estas teorías también han conducido a especulaciones tan osadas como la posibilidad de una infinidad de universos producidos de acuerdo con el modelo inflacionario. Sin embargo, la mayoría de los cosmólogos se preocupa más de localizar el paradero de la materia oscura, mientras que una minoría, encabezada por el sueco Hannes Alfvén, premio Nobel de Física, mantienen la idea de que no sólo la gravedad sino también los fenómenos del plasma, tienen la clave para comprender la estructura y la evolución del Universo.
Observaciones del fondo de microondas
Después del descubrimiento del CMB, se han realizado cientos de experimentos del fondo cósmico de microondas para medir y caracterizar la naturaleza de la radiación. El experimento más famoso es probablemente el satélite COBE de la NASA que orbitó entre 1989-1996, que detectó y cuantificó las anisotropías de gran escala al límite de sus capacidades de detección. Inspirado por los resultados iniciales del COBE, un fondo extremadamente isótropo y homogéneo, una serie de experimentos basados en balones y suelo cuantificaron las anisotropías del CMB en pequeñas escalas angulares durante la siguiente década.
El principal objetivo de estos experimentos era medir a escala angular el primer pico acústico, para el que el COBE no tenía suficiente resolución. Estas medidas podrían excluir las cuerdas cósmicas como la principal teoría de la formación de estructuras cósmicas y sugieren que la inflación cósmica es la teoría adecuada. Durante los años 1980, el primer pico fue medido con una sensibilidad creciente y en el año 2000, el experimento BOOMERanG reportó que las fluctuaciones de mayor energía ocurrían a escalas de aproximadamente un grado. Junto con otros datos cosmológicos, estos resultados implican que la geometría del Universo es plana. Varios interferómetros proporcionaron medidas de fluctuaciones de gran precisión durante los tres años siguientes, incluyendo el Very Small Array, Degree Angular Scale Interferometer (DASI) y el Cosmic Background Imager (o CBI). La primera detección del DASI fue la polarización del CMB mientras que el CBI obtuvo
El futuro del fondo cósmico de microondas
Dado que al irse expandiendo el Universo el desplazamiento al rojo sufrido por la radiación cósmica de fondo va aumentando llegará un momento muy lejano, asumiendo un Universo abierto, en el cual ésta será indetectable por completo, acabando por ser "tapado" por el causado por luz estelar la luz emitida por las estrellas y éste a su vez al seguir expandiéndose el Cosmos sufrirá el mismo efecto y será reemplazado por el de otros procesos que se produzcan en el futuro lejano.
Bibliografía
- Seife, Charles (2003). El gran paso adelante del año: Iluminando el Universo oscuro. Science 302 2038–2039.
- Partridge, Robert Bruce (1995). 3000: El Fonfo de Radiación de Microondas. New York: Cambridge University Press.
- Archivo Legado de la NASA para el análisis de Datos del fondo de microondas (LAMBDA)
- Wayne Hu's La Física de las anisotropías del Fondo de Microondas. Una extensa colección de tutoriales del fondo de microondas, animaciones y revisiones describiendo la física detrás del fondo de microondas. El rango de materiales en detalle desde las introducciones populares hasta las discusiones técnicas.
- López, Cayetano (1999). UNIVERSO SIN FIN. Madrid, Ediciones Taurus.
- A DYING UNIVERSE: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects
- The Return of a Static Universe and the End of Cosmology
Enlaces externos
- Página de la sonda WMAP
- Una colección de archivos sonoros del CMB y archivos de películas por la Universidad de Virginia
