Fondo Cósmico de Microondas

El Universo dijo: “hágase la luz”, y la luz se hizo.

Pero no lo dijo al inicio como todos pensarían, al contrario; lo dijo unos 400,000 años después de aquella expansión inicial que llamamos Big Bang. Tal vez algún día te has preguntado cómo fueron creados los primeros rayos de luz en el Universo, y es que la luz no existió hasta mucho después de que todo dio comienzo, al menos no existió de manera libre viajando por el espacio, como tanto nos gusta imaginarla.

Todos tenemos alguna foto embarazosa de cuando éramos bebés. Esa foto que no quieres que sea vista por alguna persona en absoluto. Esa misma foto que a tu mamá le encanta andar enseñando a cualquier amig@ que se atreva a traspasar el pórtico principal de tus aposentos. Pues bien, incluso el Universo tiene una foto así; pero al contrario que en tu caso, la foto del Universo bebé es considerada una de las fotos más hermosas jamás capturadas por la humanidad. Y es que no es por los bonitos colores, ni las formas, ni la iluminación. Es por las profundas implicaciones que trae consigo esta fotografía. Que tan geniales somos los humanos que hemos logrado fotografiar los primeros rayos de luz que existieron en el Universo. ¿Cómo sabemos que en verdad es la imagen más antigua del Cosmos? ¿Cómo se logró obtener? ¿Es la imagen más vieja posible o podremos obtener fotos más antiguas aún? Okay! A eso voy! Sigue leyendo.

Ánimo champ, a todos nos ha pasado.

Una buena teoría no sólo es una idea que se escuche bonito y que tenga cierta lógica para explicar algún fenómeno. Una buena teoría debe modelar matemáticamente aquello que pretenda explicar, de manera que pueda describir los fenómenos observados en la realidad e incluso predecir algunos fenómenos que no hayan sido observados hasta ese momento. Cuando una teoría satisface estas condiciones, a todos nos empieza a llamar bastante la atención; y cuando no dejan de comprobarse sus predicciones de manera experimental, nos volvemos locos de felicidad.

Esta es la razón por la que la Teoría de la Relatividad de Einstein y la mecánica cuántica nos encantan tanto. No solo predijeron en sus épocas (casi) todos los fenómenos observados asociados a sus áreas, si no que a día de hoy se siguen confirmando sus predicciones teóricas con lujo de exactitud.

Pues bien, otra de esas teorías que nos encantan es la Teoría del Big Bang.

Cuando fue propuesta por primera vez, nadie se tomaba muy enserio la teoría del Big Bang (de hecho el nombre viene de un comentario en forma de burla al referirse a la teoría como una “gran explosión”). Todos se imaginaban al Universo como eterno e invariante, estático. Cual fue la sorpresa que se llevaron cuando se descubrió que todas las galaxias más lejanas a nosotros se alejan constantemente. Esto sólo podía significar una cosa: el Universo se está expandiendo.

La vida, el Universo y todo lo demás.

Pues bien, surgió la teoría del Big Bang de la mano de muchos científicos que poco a poco iban puliendo las ideas que inicialmente se propusieron para explicar la expansión del espacio intergaláctico. No entraré mucho en detalle sobre el Big Bang en este artículo, vámonos despacio.

La teoría predecía que durante los primeros miles de años del Universo, todo el espacio se encontraría abarrotado por una especie de sopa de partículas elementales que al encontrarse a tan altas energías le sería imposible combinarse para formar partículas más complejas, como los átomos. Según los datos obtenidos sobre la expansión del Universo y un montón de matemática locochona, este plasma primigenio se iría enfriando a medida que el espacio se hacía más y más grande. Hasta que después de unos 380,000 años, la temperatura media del Universo rondaría los 3000 Kelvin y por fin, los primeros átomos de Hidrógeno (así como algunos isótopos de elementos ligeramente más pesados) se habrían podido formar. A esto se le llama de forma elegantosa: la Nucleosíntesis primordial.

El objeto de la imagen no es un átomo, pero se ve chido.

¿Cómo poder comprobar esta predicción del modelo teórico? Pues sucede que al formarse los átomos de Hidrógeno (y otros), se liberó una gran cantidad de energía en forma de ondas electromagnéticas de alta frecuencia (seguramente recordarás que las ondas electromagnéticas se pueden presentar en diferentes formas, dependiendo de su energía. Entre más energética sea la onda, menor será su longitud de onda y mayor su frecuencia. Dependiendo de estos parámetros, las ondas electromagnéticas se clasifican en: ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos x, rayos gamma, entre otros). Esta radiación electromagnética (fotones) debía permear todo el Universo y, según la teoría, podrían ser detectables en un cierto rango de frecuencia. Este rango calculado fue variando a medida que se modificaba la teoría. Hasta que un día por azares del destino, y sin siquiera buscarlo, el descubrimiento llegó sólo.

Era el año de 1965 y un par de físicos gringos se encontraban trabajando en un proyecto de radiocomunicaciones. Su sofisticada antena destinada a recibir señales de radio no dejaba de meter un ruido extra en todos los experimentos. Se eliminaron todas las posibles fuentes de este ruido indeseado (incluso los científicos tuvieron que sacrificar a una familia de palomas que desafortunadamente había anidado dentro del radiómetro), pero el ruido no desaparecía. Después de analizar los datos, se dieron cuenta que el ruido correspondía a una señal de microondas, cuyo valor absoluto en términos de temperatura de cuerpo negro rondaba los 3K (-273°C). No tardaron mucho para concluir que por fin habían encontrado la radiación de fondo de microondas, predicha por el modelo del Big Bang. Este afortunado accidente les valió el premio Nobel de física de 1978.

Penzias y Wilson, los chicos rudos también hacemos ciencia.

Una vez detectada esta radiación que cubre cada punto del Universo, hemos sido capaces de “tomarle una foto”.

La WMAP es una sonda de la NASA cuyo lanzamiento en 2001 tuvo como propósito precisamente crear un mapa de la radiación de fondo cósmico. El trabajo fue difícil, pero después de varios años fue armada la imagen que ahora todos conocemos como CMB.

La WMAP de la NASA.

La fotografía del CMB (cosmic microwave background) en realidad muestra el área interior de la superficie de una esfera, extendida en dos dimensiones. En el centro de esa esfera, estamos nosotros. Cada punto de la superficie de esa esfera se encuentra a unos 46 000 millones de años luz de distancia de nosotros actualmente. Cada pixel de la imagen simboliza la luz que viajó durante 13 700 millones de años (edad actual del cosmos) por el Universo en expansión, perdiendo energía hasta toparse con nuestro planeta.

El Fondo Cósmico de Microondas, la foto del Universo bebé. Awww ternurita. :3

Esta radiación electromagnética ocasiona que ningún punto del espacio exterior se encuentre a una temperatura menor de los 2.7K (grados Kelvin) por encima del cero absoluto. Es una señal isotrópica casi a la perfección, esto quiere decir que no importa qué punto mires, es igual en todas direcciones. La diferencia entre el punto más caliente (en rojo) y el punto más frío (en azul) es de apenas unas 200 millonésimas de Kelvin (un Kelvin es lo mismo que un grado Celsius, en escala).

Además, el CMB presenta un comportamiento casi perfecto de cuerpo negro ideal (okay, tal vez tenga que explicarles; un cuerpo negro es un objeto teórico que absorbe toda la energía que recibe, es decir no refleja anda de luz, por lo que sería perfectamente negro. A su vez, un cuerpo negro emite radiación electromagnética directamente dependiente de la temperatura a la que se encuentre, siendo cada vez más energética esta radiación a mayor temperatura del cuerpo negro. Llegando a emitir luz visible a partir de cierta temperatura). Y esto es tremenda prueba de las predicciones del modelo del Big bang para el origen del Universo.

Comparación del espectro del CMB con el espectro ideal de un cuerpo negro. Como anillo al dedo.

Pues bien, ahora conoces la foto más antigua que hemos sido capaces de tomar pero, ¿es físicamente posible obtener una foto aún más vieja? Pues depende a qué le llames foto. El CMB es la radiación electromagnética más antigua del cosmos, pero si detectáramos otro tipo de “señales” como las ondas gravitacionales e “interpretáramos” dichas señales como si fueran luz, podríamos armar una foto de dicha radiación gravitacional.

Y ¿Qué creen?

¡Pues que ya somos capaces también de hacer dichas fotos! Como les contaba en este artículo sobre el descubrimiento de ondas gravitacionales, ahora también podemos observar al Universo con ojos que detectan las perturbaciones del mismísimo espacio-tiempo. Y resulta que el modelo de Big Bang también predice una oleada masiva de ondas gravitacionales creadas sólo unos instantes después del momento de la creación.

El Big bang debió haber causado una oleada enorme de ondas

gravitacionales un instante después del nacimiento del Universo.

Ya hay varios proyectos en marcha como LIGO y LISA destinados a captar estas ondas gravitacionales estocásticas primordiales y poder mirar al Universo sólo unos momentos después de haber nacido (aproximadamente entre 10 a la -32 y 10 a la -36 segundos después del Big bang), que bonito. :3