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La teoría del Big Bang describe la evolución a gran escala del universo. Si bien la ciencia aún no puede explicarnos cómo exactamente surgió el cosmos, nos da una descripción bastante detallada del proceso.

Éste inicia millonésimas de segundos después del tiempo cero —cuando el tamaño del universo era 100 trillones de veces más pequeño que un átomo— hasta nuestros días, momento en el cual estamos dentro de una esfera de aproximadamente 100.000 millones de años luz.

Esta descripción también nos pinta distintos escenarios de la forma en que el universo llegará a su fin en más o menos unos trillones de años.

Según el modelo cosmológico que actualmente acepta la comunidad científica, la temperatura del universo en sus primeros momentos fue extremadamente alta (miles de millones de grados). En esas condiciones los electrones no estaban ligados a los núcleos de los átomos y las partículas de luz estaban acopladas a la materia. En otras palabras, los fotones no podían viajar por el espacio. La luz aún no hacia su triunfal entrada al cosmos.

Unos 300 mil años a partir del Big Bang, el universo seguía expandiéndose y el calor disminuía conforme el tiempo avanzaba. Al bajar la temperatura hasta unos 3 mil grados, los fotones se desacoplaron de la materia y la luz pudo viajar casi sin obstáculos por el universo.

Esos fotones que se liberaron en el desacoplamiento todavía persisten. Se los puede detectar en el rango de las microondas y son llamados Fondo Cósmico de Microondas (CMB por sus siglas en Ingles).

Dicho fondo cósmico es la primera luz del universo. En la actualidad el CMB es la información de la etapa más joven del universo a la que tenemos acceso; corresponde a la imagen de lo que era el cosmos cuando tenía tan solo unos 380 mil años de edad. Hasta ahí podemos llegar hoy en día —no podemos mirar más atrás en el tiempo.

Haciendo un pequeño paréntesis, podríamos mirar más atrás pero usando mensajeros distintos a la luz. Estos serían los neutrinos, que se desacoplaron 0,0001 segundos luego del Big Bang y las ondas gravitacionales que ya estaban presentes poco después del tiempo de Planck.

A medida que la ciencia y la tecnología avancen podremos desarrollar observatorios enfocados en la astronomía de neutrinos y en la astronomía basada en ondas gravitacionales. Nuestra capacidad para observar y conocer nuestro universo se incrementará enormemente. ¿No es todo esto maravilloso?

Serendipia y premio Nobel

El Fondo Cósmico de Microondas se llama así porque llena todo el universo; está por todas partes y en todas las direcciones. Su existencia fue predicha por el físico George Gamow y sus colegas Ralph A. Alpher y Robert Hermann en 1948.

Para detectar esta radiación de fondo, Robert Henry Dicke construyó “el radiómetro de Dicke” en 1964. Colocó este dispositivo en el techo de su laboratorio, pero no pudo encontrar los restos fósiles del Big Bang.

Ya en 1965 los físicos Arno Penzias y Robert Wilson se encontraban trabajando en los laboratorios Bell usando la antena Holmdel para hacer experimentos. Ambos pasaron varias semanas tratando de poner en funcionamiento la antena, pero les resultaba imposible. Había un ruido de fondo del cual no se podían deshacer. Penzias y Wilson probaron la antena de día, de noche, la orientaron en distintas direcciones, forraron con aislantes las juntas de la antena, y finalmente la desarmaron y la volvieron a armar. Sin embargo, el omnipresente ruido seguía ahí.

Arno Penzias y Robert Wilson con la antena de Holmdel. (IES)

Cuando ya habían descartado toda posible causa de interferencia, pensaron que el problema podría ser causado por los excrementos que las palomas dejaban en la antena, así que la limpiaron completamente y se aseguraron de que ningún ave se acerque a ella. Todo fue en vano; el molesto silbido seguía ahí.

Arno Penzias y Robert Wilson no habían leído el trabajo del grupo de Gamow sobre el origen del universo y las predicciones sobre el fondo cósmico, pero estaban enterados de los trabajos que Dicke estaba haciendo en la Universidad de Princeton. Llamaron a Dicke para consultarle sobre el problema de ruido que tenía la antena de Holmde. Dicke inmediatamente se dio cuenta de que los muchachos de Bell habían encontrado lo que él estaba buscando: la evidencia más firme a favor de la teoría del Big Bang, el Fondo Cósmico de Microondas.

En el libro Una breve historia de casi todo, Bill Bryson cuenta que tan pronto como Robert Dicke colgó el teléfono, les dijo a sus colaboradores: “Bueno, muchachos, se nos acaban de adelantar”. Años más tarde, en 1978, Arno Penzias y Robert Wilson recibieron el Premio Nobel de Física por toparse sin querer con el CMB.

Estudios sobre el CMB

El principio cosmológico —uno de los pilares de la teoría del Big Bang— dice que el universo a gran escala es homogéneo e isotrópico. Eso significa que la masa y la radiación están distribuidas con la misma densidad promedio en todas partes (homogéneo) y hacia todas las direcciones (isotrópico).

Sin embargo, ya en 1967 los físicos Sachs y Wolfe sugerían que deberían haber fluctuaciones en la intensidad de la radiación de fondo. El origen de estas variaciones estaría en la concentración de materia en algunos puntos del joven universo, como las semillas de lo que terminarían siendo las grandes estructuras que vemos en la actualidad.

Los fotones que nos llegaran desde dichas regiones tendrían que superar un mayor potencial gravitatorio, por lo tanto perderían energía. Eso se traduciría en una leve variación de la temperaratura del CMB en esos puntos del espacio.

En el universo observable existen grandes estructuras, como los cúmulos de galaxias, pero también hay regiones que están prácticamente vacías. Esta no homogeneidad podría explicarse con pequeñas variaciones en la temperatura del CMB (las fluctuaciones en la intensidad de la radiación de las que hablaban Sachs y Wolfe en 1967). Esas variaciones eran indetectables para la antena que estaban utilizando Penzias y Wilson al momento de encontrarse con el CMB. Dicho instrumento mostraba una lectura completamente homogénea.

Habría que encontrar y medir esas mínimas variaciones de temperatura de tal forma que las pequeñas anisotropías den coherencia a lo que propone la teoría del Big Bang en relación al universo observable.

Misión COBE

COBE (Cosmic Background Explorer) fue la primera misión de la NASA con el objetivo de hacer estudios cosmológicos.

El observatorio espacial fue lanzado el 18 de noviembre de 1989. Usando sus instrumentos científicos trazó un mapa muy preciso de la temperatura del CMB de todas las direcciones del espacio. El satélite tenía una órbita polar a 900 km de altura y completaba 14 vueltas alrededor de la Tierra por día. Al mismo tiempo, giraba como un trompo y sus antenas tomaban lecturas de diferentes puntos del cielo.

El resultado obtenido por el COBE para la temperatura del CMB fue de 2,726 ± 0,010 kelvin. Las fluctuaciones de temperatura en el CMB son extremadamente débiles: solo una parte entre 100 mil comparada con la temperatura media de 2,726 K que tiene el fondo. Para tener una idea de dicha temperatura, el 0 absoluto o 0 K corresponde a una temperatura de -273,15 grados centígrados.

John Mather, investigador principal de la misión, y George Smoot —responsable del Radiómetro Diferencial de Microondas, instrumento que fue capaz de medir las diferencias de temperatura en el CMB con una precisión de 1 parte en 100 mil— recibieron el Nobel de Física en 2006 por los resultados de la misión COBE.

Misión WMAP

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) fue lanzada por la NASA con el objetivo de medir con una altísima sensibilidad la temperatura del fondo cósmico de microondas. Partió hacia el espacio el 30 de junio de 2001 y se colocó en un punto estratégico de observación, el Punto de Lagrange L2. Mapeó durante 9 años los restos del resplandor inicial del universo.

L1, L2, L3, L4 y L5 son lugares en el espacio donde las fuerzas gravitatorias y el movimiento orbital de 2 cuerpos masivos, como el Sol y la Tierra, se equilibran. Un objeto colocado en uno de esos puntos no se moverá o su movimiento será mínimo (con respecto a los 2 cuerpos masivos). L2 se encuentra a 1.492 km de la Tierra en la dirección opuesta al Sol. En dicha posición se reduce al mínimo las emisiones no deseadas que vienen del Sol y la Tierra. L2 será el punto desde el cual el telescopio espacial James Webb hará sus futuras observaciones.

WMAP uso radiómetros diferenciales de microondas para medir las diferencias de temperatura entre 2 puntos cualesquiera del cielo. El WMAP podía distinguir detalles a partir de 2 décimas de grado, mientras que el COBE estaba diseñado para observar escalas angulares a partir de los 7 grados. Haciendo la comparación, vemos que el WMAP podía hacer un análisis mucho más fino del CMB.

El valor de la temperatura del CMB medido por WMAP es de 2,725 ± 0,002 grados Kelvin (-270,43 grados centígrados).

Las interpretaciones que los científicos hicieron a partir de los datos proveídos por la sonda WMAP fueron revolucionarias. Estas mediciones indican que nuestro universo tiene geometría plana (curvatura casi cero), está compuesto por materia bariónica (átomos) en un 4,4%, materia oscura (aún no sabemos lo que es) en un 22% y energía oscura (tampoco sabemos lo que es) en un 73%. La edad del universo es de unos 13.700 millones de años, con un error de solo el 1%.

En relación a la aparición de las primeras estrellas, WMAP nos dice que se formaron 200 millones de años después del Big Bang. Todos estos valores son el resultado del análisis realizado sobre el CMB.

Dicha información es el tesoro que los fotones guardaron por eones esperando que nuestros instrumentos los puedan leer. Es la forma en que la ciencia nos cuenta la historia de nuestro universo, nuestra propia historia.

Misión Plank

La Agencia Espacial Europea (ESA) lanzó la misión Planck el 14 de mayo de 2009 desde el Puerto espacial de Kourou en la Guayana Francesa. El objetivo del instrumento era medir anisotropías de la temperatura del CMB que tengan un tamaño superior a 10 minutos de arco, con una precisión de dos millonésimas. Planck superaba en sensibilidad a las misiones COBE y WMAP.

Como su antecesor, Planck se colocó en el Punto de Lagrange L2. La sonda observó el cielo con 74 detectores repartidos en 2 instrumentos, el LFI y el HFI. El Instrumento de Alta Frecuencia (HFI) utilizaba unos detectores llamados bolómetros que trabajaban enfriados a -273,05°C, tan solo 0,1°C por encima del 0 absoluto. En aquel entonces se decía que Planck era el objeto conocido más frío que estaba fuera de la Tierra (en laboratorios terrestres, condensados de Bose-Einstein se han enfriado a menos de una millonésima de Kelvin por encima del 0 absoluto).

Según la misión Planck, el universo tiene las siguientes características. Es un poco mayor de lo que se pensaba; tiene unos 13.820 millones de años de edad. Está constituido por 68,3% de energía oscura, 26,8% de materia oscura y 4,9 % de materia bariónica. En relación a su curvatura, es plano y está en concordancia con lo decía WMAP, pero según Planck las primeras estrellas se formaron 550 millones de años después del Big Bang, mucho más tarde de lo que indicaba la misión de la NASA.

El mapa de todo el cielo generado por Planck mostraba indicios de una ligera asimetría entre la temperatura de los fotones procedentes de los 2 hemisferios celestes. La radiación proveniente del hemisferio sur parecía tener una temperatura ligeramente superior a la procedente del hemisferio norte. Esta asimetría fue bautizada con el nombre del Eje del Mal y no era compatible con la idea del Principio Cosmológico. Análisis posteriores mostraron que el Eje del Mal no existía.

Estas 3 misiones espaciales dedicadas al estudio del fondo cósmico nos dan una idea de cómo funciona la ciencia. En primer lugar, y antes que cualquier observación directa, existe un modelo matemático como el de Gamow de 1948 que predecía la existencia del CMB, o los estudios de Sachs y Wolfe que decían en 1967 que el CMB no podía ser completamente homogéneo. El siguiente paso es la comprobación, que en el caso del CMB significó el diseño de instrumentos altamente sensibles como la antena de Penzias y Wilson que en 1965 ya podía detectar una señal generada hace unos 13.700 millones de años y que estaba a una temperatura cercana al 0 absoluto. Seguidamente, las 3 misiones diseñadas para funcionar en el espacio, 2 de ellas con unos sistemas de enfriamiento excepcionales. Un último paso es la interpretación de los datos y su publicación.

Los resultados de las tres misiones que estudiaron el CMB. (Qosmology.org)

 

Últimas publicaciones sobre el CMB

Para los científicos la hipotética Nube de Oort es como el borde o límite físico del sistema solar. Está a unas 50 mil unidades astronómicas (0,79 años luz) del Sol. Se supone que dicha nube está poblada por planetesimales helados y es el origen de los cometas de largo periodo. Como la nube está muy lejos y es muy dispersa, su observación se dificulta bastante. Sin embargo, un equipo de astrofísicos de la Universidad de Pennsylvania propuso a principios de agosto una idea poco común: usar los mapas del CMB creados por la misión Planck y con ellos poder detectar señales de las Nubes Oort alrededor de otras estrellas.

El estudio se llamó Probing Oort clouds around Milky Way stars with CMB surveys. Tal vez en un futuro cercano el CMB se pueda usar para confirmar la existencia de los tenues capullos que envuelven a las estrellas.

Los Puntos de Hawking y el CMB

Hay personas que tienen la ida de que este universo que conocemos no es el primero que ha existido. Piensan que hubo otros universos que se formaron y luego se extinguieron, universos burbuja que se expanden y luego mueren. Esta teoría recibe el nombre de Cosmología Cíclica Conforme (CCC) y fue enunciada por el famoso físico y matemático Roger Penrose.

Penrose cree en un universo eterno que cíclicamente nace en un Big Bang, se expande y finalmente muere térmicamente. A cada uno de estos siclos los denomina eón. La CCC predice la existencia de círculos concéntricos de 2 grados de radio en el CMB que se llaman círculos de Hawking. El pasado 6 de agosto Roger Penrose y otros 2 científicos publicaron un artículo donde afirmaban haber encontrado varios de estos círculos en los mapas del CMB.

Los expertos en el análisis de los datos de las misiones WMAP y Planck no comparten las afirmaciones de Penrose. Ellos no observan los círculos de Hawking en sus mapas. Este caso es un buen ejemplo para poner a prueba el escepticismo, ya que las evidencias presentadas no han sido contrastadas. También nos muestra que no porque un científico sea un experto en lo que hace está exento de cometer errores (la falacia del principio de autoridad).

En palabras del divulgador español Francisco R. Villatoro:

“En varios medios se han hecho eco de este trabajo (como suele ser habitual con todos los de Penrose). Se afirma a la ligera que los puntos de Hawking son señales de física anterior al Big Bang. Sin embargo, esta afirmación es pura especulación salvaje. El modelo CCC de Penrose no tiene una formulación teórica precisa que permita realizar predicciones firmes. Solo es un conjunto difuso de ideas, posibles soluciones a posibles problemas, sin que haya modelos matemáticos precisos que las sustenten. Por ello, aunque admiremos con pasión a uno de los grandes físico-matemáticos de los últimos 60 años, debemos ser muy escépticos sobre estas ideas. Lo siento, pero aún somos incapaces de observar señales anteriores a la inflación cósmica”.

Información extra en el fondo cósmico

Los puntos o círculos de Hawking. (Naukas)

Además de toda la información cosmológica que nos brindaron las misiones espaciales encargadas de la medición y estudio del CMB, nos proporcionaron información adicional sobre cómo nos estamos moviendo en el espacio.

Por ejemplo, la Vía Láctea y sus cientos de miles de millones de estrellas se desplazan en relación al CMB a una velocidad de 1.332.000 km/h. Nuestro planeta gira rededor del Sol a unos 108.000 km/h. Nuestra estrella y toda su corte de planetas, lunas, cometas, asteroides, etc. se mueven alrededor de la galaxia a una velocidad de 900.000 km/h. ¿Nos son números fascinantes?

Sin duda alguna es una maravilla que podamos conocer la edad de universo, su velocidad de expansión, su composición, su geometría, la probable existencia de la materia y la energía oscura partiendo de la medición del CMB y del análisis de las anisotropías que encontramos en esta radiación, cuya temperatura esta cerca del cero absoluto.

Cuando miramos los mapas de las anisotropías del CMB como los publicados por la misión Planck vemos una imagen de forma ovalada poblada de formas multicolores que representan las diferencias en temperatura de las distintas regiones del espacio. Debe ser muy común que la gente se pregunte cómo es que a partir de ese engañosamente simple mapa los científicos puedan inferir todos esos valores cosmológicos de los que estuvimos hablando.

Pues lo hacen y les lleva una enorme cantidad de tiempo hacer el análisis de los datos. Usan métodos matemáticos muy complejos que les permiten interpretar la información que guarda la luz más antigua del universo, una luz que tuvo su origen hace unos 13.700 millones de años.

Buenos cielos para todos.

 

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