Durante miles de años, el ser humano ha estado contemplando el Universo y buscando determinar su verdadero alcance. En el siglo XX, los científicos comenzaron a comprender cuán vasto (e incluso incluso interminable) es realmente el Universo.
Y en el curso de mirar más lejos en el espacio, y más atrás en el tiempo, los cosmólogos han descubierto algunas cosas realmente sorprendentes. Por ejemplo, durante la década de 1960, los astrónomos se dieron cuenta de la radiación de fondo de microondas que era detectable en todas las direcciones. Conocido como el Fondo Cósmico de Microondas (CMB), la existencia de esta radiación ha ayudado a informar nuestra comprensión de cómo comenzó el Universo.
Descripción:
El CMB es esencialmente radiación electromagnética que queda de la primera época cosmológica que impregna todo el Universo. Se cree que se formó unos 380,000 años después del Big Bang y contiene indicaciones sutiles de cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias. Si bien esta radiación es invisible usando telescopios ópticos, los radiotelescopios pueden detectar la señal débil (o brillo) que es más fuerte en la región de microondas del espectro de radio.
El CMB es visible a una distancia de 13.8 mil millones de años luz en todas las direcciones desde la Tierra, lo que lleva a los científicos a determinar que esta es la verdadera edad del Universo. Sin embargo, no es una indicación de la verdadera extensión del Universo. Dado que el espacio ha estado en un estado de expansión desde el Universo temprano (y se está expandiendo más rápido que la velocidad de la luz), el CMB es simplemente el más atrás en el tiempo que somos capaces de ver.
Relación con el Big Bang:
El CMB es fundamental para la teoría del Big Bang y los modelos cosmológicos modernos (como el modelo Lambda-CDM). Según la teoría, cuando el Universo nació hace 13.800 millones de años, toda la materia se condensó en un solo punto de densidad infinita y calor extremo. Debido al calor extremo y la densidad de la materia, el estado del Universo era altamente inestable. De repente, este punto comenzó a expandirse, y el Universo tal como lo conocemos comenzó.
En este momento, el espacio estaba lleno de un brillo uniforme de partículas de plasma al rojo vivo, que consistía en protones, neutrones, electrones y fotones (luz). Entre 380,000 y 150 millones de años después del Big Bang, los fotones interactuaban constantemente con los electrones libres y no podían viajar largas distancias. Por lo tanto, por qué esta época se conoce coloquialmente como la "Edad Oscura".
A medida que el Universo continuó expandiéndose, se enfrió hasta el punto en que los electrones pudieron combinarse con los protones para formar átomos de hidrógeno (también conocido como el Periodo de Recombinación). En ausencia de electrones libres, los fotones pudieron moverse sin obstáculos a través del Universo y comenzó a aparecer como lo hace hoy (es decir, transparente y permeado por la luz). Durante los miles de millones de años transcurridos, el Universo continuó expandiéndose y enfriándose enormemente.
Debido a la expansión del espacio, las longitudes de onda de los fotones crecieron (se "desplazaron hacia el rojo") a aproximadamente 1 milímetro y su temperatura efectiva disminuyó a justo por encima del cero absoluto - 2.7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Estos fotones llenan la revista Space y aparecen como un brillo de fondo que se puede detectar en el infrarrojo lejano y las longitudes de onda de radio.
Historia de estudio:
La existencia del CMB fue teorizada por primera vez por el físico ucraniano-estadounidense George Gamow, junto con sus estudiantes, Ralph Alpher y Robert Herman, en 1948. Esta teoría se basó en sus estudios de las consecuencias de la nucleosíntesis de elementos ligeros (hidrógeno, helio y litio) durante el Universo muy temprano. Esencialmente, se dieron cuenta de que para sintetizar los núcleos de estos elementos, el Universo primitivo necesitaba estar extremadamente caliente.
Además, teorizaron que la radiación sobrante de este período extremadamente caluroso permearía el Universo y sería detectable. Debido a la expansión del Universo, estimaron que esta radiación de fondo tendría una temperatura baja de 5 K (-268 ° C; -450 ° F), solo cinco grados por encima del cero absoluto, que corresponde a las longitudes de onda de microondas. No fue sino hasta 1964 que se detectó la primera evidencia del CMB.
Este fue el resultado de que los astrónomos estadounidenses Arno Penzias y Robert Wilson usaran el radiómetro Dicke, que pretendían usar para experimentos de radioastronomía y comunicación satelital. Sin embargo, al realizar su primera medición, notaron un exceso de temperatura de antena de 4.2K que no podían explicar y solo podían explicarse por la presencia de radiación de fondo. Por su descubrimiento, Penzias y Wilson fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1978.
Inicialmente, la detección del CMB fue una fuente de controversia entre los defensores de diferentes teorías cosmológicas. Mientras que los defensores de la teoría del Big Bang afirmaron que esta era la "radiación reliquia" que quedaba del Big Bang, los defensores de la teoría del estado estable sostuvieron que era el resultado de la luz estelar dispersa de galaxias distantes. Sin embargo, en la década de 1970, había surgido un consenso científico que favorecía la interpretación del Big Bang.
Durante la década de 1980, los instrumentos terrestres pusieron límites cada vez más estrictos a las diferencias de temperatura del CMB. Estos incluyeron la misión soviética RELIKT-1 a bordo del satélite Prognoz 9 (que se lanzó en julio de 1983) y la misión Explorador de fondo cósmico de la NASA (COBE) (cuyos hallazgos se publicaron en 1992). Por su trabajo, el equipo COBE recibió el Premio Nobel de física en 2006.
COBE también detectó el primer pico acústico del CMB, oscilaciones acústicas en el plasma que corresponden a variaciones de densidad a gran escala en el universo temprano creado por inestabilidades gravitacionales. Muchos experimentos siguieron durante la próxima década, que consistieron en experimentos terrestres y basados en globos cuyo propósito era proporcionar mediciones más precisas del primer pico acústico.
El segundo pico acústico fue detectado tentativamente por varios experimentos, pero no se detectó definitivamente hasta que la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) se desplegó en 2001. Entre 2001 y 2010, cuando se concluyó la misión, WMAP también detectó un tercer pico. Desde 2010, varias misiones han estado monitoreando el CMB para proporcionar mediciones mejoradas de la polarización y variaciones de densidad a pequeña escala.
Estos incluyen telescopios terrestres como QUEST en DASI (QUaD) y el Telescopio del Polo Sur en la Estación Amudsen-Scott del Polo Sur, y el Telescopio de Cosmología de Atacama y el telescopio Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) en Chile. Mientras tanto, la Agencia Espacial Europea Planck la nave espacial continúa midiendo el CMB desde el espacio.
Futuro de la CMB:
Según diversas teorías cosmológicas, el Universo puede en algún momento dejar de expandirse y comenzar a revertirse, culminando en un colapso seguido de otro Big Bang, también conocido como. La teoría de Big Crunch. En otro escenario, conocido como Big Rip, la expansión del Universo eventualmente llevará a que toda la materia y el espacio-tiempo se desgarren.
Si ninguno de estos escenarios es correcto, y el Universo continuó expandiéndose a un ritmo acelerado, el CMB continuará desplazándose hacia el rojo hasta el punto en que ya no sea detectable. En este punto, será superado por la primera luz estelar creada en el Universo, y luego por los campos de radiación de fondo producidos por los procesos que se supone tendrán lugar en el futuro del Universo.
Hemos escrito muchos artículos interesantes sobre el fondo cósmico de microondas aquí en la revista Space. Aquí está ¿Qué es la radiación de fondo de microondas cósmica ?, Teoría del Big Bang: evolución de nuestro universo, ¿qué fue la inflación cósmica? La búsqueda para comprender el Universo más temprano, Descubrimiento histórico: los nuevos resultados proporcionan evidencia directa de la inflación cósmica, y ¿qué tan rápido se está expandiendo el universo? Hubble y Gaia se unen para realizar las mediciones más precisas hasta la fecha.
Para obtener más información, consulte la página de la misión WMAP de la NASA y la página de la misión Planck de la ESA.
Astronomy Cast también tiene información sobre el tema. Escucha aquí: Episodio 5 - El Big Bang y el fondo cósmico de microondas
Fuentes:
- ESA - Planck y el fondo cósmico de microondas
- La física del universo - Radiación de fondo cósmico
- Cosmos - Fondo cósmico de microondas
- Wikipedia - Fondo cósmico de microondas
