La teoría big bang nos dice que el universo comenzó con una gran explosión donde tiempo, espacio y todas las partículas fundamentales (además de sus correspondientes antipartículas) se originaron.
Debido a las altas temperaturas en los primeros momentos después del big bang, el universo era una sopa caliente de partículas cargadas (plasma) en la cual las partículas de luz (los fotones) interactuaban constantemente con este plasma por lo que el universo era opaco. Este estado se mantuvo durante los primeros 380.000 años del universo.
Al expandirse lo suficiente, el universo se enfrió permitiendo que protones y electrones se unieran para formar los primeros átomos correspondiente a materia neutra que conocemos hoy en día (los átomos tienen igual número de carga positiva y negativa).
Al no haber carga eléctrica neta, los fotones lograron por primera vez propagarse libremente sin interactuar con las partículas cargadas que ahora formaban sistemas neutros (los átomos). Los físicos llaman desacoplamiento a esta separación entre materia y luz.
Los fotones emitidos en el desacoplamiento son los que hoy nos llegan en forma de microondas y se denomina radiación de fondo de microondas o CMB (por la sigla en inglés de Cosmic Microwave Background). La importancia del CMB radica en que corresponde a luz emitida en la etapa más temprana del universo a la que tenemos acceso ya que antes del desacoplamiento el universo era opaco. Es decir, el CMB corresponde a una imagen de nuestro universo cuando sólo tenía 380.000 años de edad.
Es importante destacar que acá estamos haciendo uso de la palabra luz en forma genérica para referirnos a los fotones de microondas cuya frecuencia es mucho más baja que la luz visible, como discutimos hace un tiempo al hablar de ondas electromagnéticas.
Descubrimiento
Wilson y Penzias con la famosa antena de fondo
En 1948 los físicos George Gamow, Ralph Alpher, y Robert Herman postularon la existencia del CMB como una distribución homogénea de radiación la cual debería medirse desde cualquier dirección del cielo y que de verificarse su existencia validaría la teoría del Big Bang. Casi 20 años más tarde, en 1964, y de forma completamente independiente dos astrónomos de Laboratorios Bell llamados Arno Penzias y Robert Wilson se encontraban probando una vieja antena de microondas que antes se usaba como receptor satelital pero tuvieron un problema: la antena detectaba un molesto ruido de fondo en todas direcciones que interfería con los datos que intentaban obtener. Ante la persistencia del ruido de fondo, se dedicaron a estudiar su origen para poder removerlo de sus observaciones. Descartaron todas las posibles fuentes de este ruido, notaron que aparecía sin importar dónde se apuntara la antena, midieron el ruido a lo largo del año sin notar variaciones.
Cuenta la leyenda que una familia de palomas hizo del fondo de la antena su hogar y por lo tanto los detectores estaban cubiertos de “desechos de paloma”, los que fueron limpiados varias veces.
Una versión de la historia dice que la familia de palomas fue reubicada pero otra dice que los astrónomos optaron por una solución con un final no tan feliz para las palomas.
Finalmente llegaron a una conclusión extraña pero revolucionaria: el ruido estaba presente en todo el cielo.
Esta observación correspondía a una verificación de la predicción de Gamow, Alpher y Herman: la señal molesta detectada por Penzias y Wilson era nada menos que “el eco” del origen del universo. Por este descubrimiento Penzias y Wilson compartieron el Premio Nobel de Física en 1978.
La observación del CMB corresponde a uno de los mayores éxitos de la teoría del big bang. Importante es mencionar que al CMB se le llama “eco” a pesar de no tener conexión alguna con sonido, es sólo una analogía.
Inhomogeneidades
El CMB se encuentra distribuido por todo el universo y dado que corresponde a los primeros fotones emitidos luego del desacoplamiento, dichos fotones contienen información acerca del estado de universo en esas etapas tempranas. Una de las características más importantes del CMB es que no es perfecto, es decir, contiene irregularidades que indican que en ciertas regiones del universo había más materia que en otras (regiones rojizas y azuladas en la imagen). Dichas inhomogeneidades fueron cruciales para la evolución de lo que observamos como galaxias y grupos de galaxias ya que pequeñas concentraciones de materia atrajeron gravitacionalmente más materia formando las primeras estructuras del entonces joven universo.
De la misma manera que los grumos en una salsa tienden a agruparse, las zonas uno poco más densas que el promedio atrajeron a otras y comenzaron a formar las grandes estructuras en el universo.
Dada la energía de los fotones del CMB, los físicos pueden determinar la temperatura del universo.
Penzias y Wilson encontraron que la temperatura actual del universo es de 2.73 K (unos -270°C). Las inhomogeneidades del CMB pueden ser medidas como variaciones de temperatura en diferentes direcciones del cielo, para ello se requieren instrumentos más sensibles que la vieja antena de Penzias y Wilson. Esto fue posible recién a principios de 1990, luego que el satélite COBE fue lanzado al espacio. COBE obtuvo el primer mapa detallado del cielo midiendo con alta precisión las inhomogeneidades del CMB, las que resultaron ser muy débiles pero bien descritas por la teoría. También permitió medir la forma en que se distribuye la radiación verificando la predicción de la teoría del big bang. Además de la primera imagen del CMB, COBE permitió determinar la temperatura del universo con gran precisión, la siguiente figura muestra los datos de COBE y la curva teórica para un universo con una temperatura de 2.725 K. La flecha en la figura muestra el máximo (punto donde la curva deja de subir y comienza a bajar), el cual permite determinar la temperatura.
La figura también muestra en nivel de acuerdo entre los datos y la teoría.
Los científicos que lideraron COBE, John Mather yGeorge Smoot recibieron en 2006 el Premio Nobel de Física.
CMB visto por WMAP (2003)
En 2001, luego del éxito de COBE un nuevo satélite para medir el CMB llamado WMAP fue lanzado, diseñado especialmente para estudiar las inhomogeneidades del CMB. En febrero de 2003 los primeros datos fueron presentados, esta vez la precisión lograda fue mucho más alta y muchas características invisibles para COBE fueron medidas por WMAP. Dichas características han servido para determinar parámetros fundamentales de la evolución cosmológica, como la cantidad de materia oscura y energía oscura, así como también determinó con precisión la edad del universo (13.000 millones de años).
En mayo de 2009, la Agencia Espacial Europea lanzó Planck, un nuevo satélite mucho más moderno que WMAP que ha estado tomando datos los últimos años. En 2010 la primera imagen del cielo fue publicada, sin embargo sólo reportaba el buen funcionamiento del satélite. El 21 marzo 2013 ahora marca un hito en la historia de la cosmología, ya que los primeros resultados científicos fueron analizados y presentados públicamente.
De más está decir que la precisión lograda por Planck es tremendamente mayor a la de WMAP, que ahora queda en el pasado junto a COBE. La esperada imagen del CMB vista por Planck es la siguiente:
CMB visto por Planck (2013)
Al igual que las imágenes de COBE y WMAP, las regiones azuladas y rojizas representan regiones en el cielo con temperaturas menores o superiores al promedio. A diferencia de sus antecesores, Planck puede diferenciar regiones en el cielo que difieren en una millonésima de grado.
Los resultados de Planck
La presentación de los resultados de Planck ha tenido a los físicos y cosmólogos comiéndose las uñas por meses. El motivo es que la imagen del cielo en microondas contiene una cantidad enorme de información que puede ser extraída. Planck reveló varias sorpresas y confirmó resultados anteriores incluyendo la teoría del Big Bang:
Edad del universo: Planck determinó la llamada constante de Hubble que permite estimar la edad del unierso, el que resultó ser más viejo de lo que se pensaba. De acuerdo a los datos de Planck nuestro universo tiene 13.81 ± 0.05 miles de millones de años.
Receta cósmica: el CMB también permite determinar el contenido del universo o como algunos le llaman “la receta” para nuestro universo. Con respecto a la información que teníamos antes de Planck, ahora se encuentra menos Energía Oscura y más Materia Oscura, también el contenido de materia ordinaria (que los físicos llaman bariónica) ha aumentado. Estos números son muy importantes ya que son clave para comprender la evolución del universo.
Neutrinos estériles: uno de los números más esperados por los físicos de partículas es el llamado Neff que indica (aproximadamente) el número de neutrinos que había justo después del Big Bang.
El modelo estándar señala que Neff =3, sin embargo observaciones cosmológicas en años recientes parecen favorecer Neff =4. Además varios resultados anómalos en física de neutrinos han motivado la idea de que hay más de tres neutrinos. Esos neutrinos extra se denominan neutrinos estériles y constituyen hoy uno de los campos más activos en física de neutrinos. Planck reveló un rotundo Neff = 3.20±0.23, es decir, Planck favorece al modelo estándar y trae dolores de cabeza a los entusiastas de los neutrinos estériles.
Confirmación del modelo: uno de los resultados más notables (al mismo tiempo aburrido) es que los datos de Planck se ajustan a la perfección al modelo cosmológico actual llamado ΛCDM. Notable porque indica que el modelo funciona a la perfección; aburrido porque es cuando los modelos no funcionan que la naturaleza está diciéndonos que hay algo que no entendemos. Los datos de Planck muestran que a pequeña escala todo parece funcionar de acuerdo al modelo ΛCDM.
Anomalías: a pesar de que a pequeña escala el modelo funciona muy bien, cuando se estudian los datos a gran escala los científicos de Planck se encontraron con una sorpresa: algunas regiones más frías y más calientes que deben estar distribuídas aleatoriamente en el cielo parecen estar alineadas. Este resultado ya había aparecido en los datos de WMAP pero se pensaba que era un error instrumental, ahora que Planck también lo ha observado se refuerza la idea de que podría deberse a un fenómeno fisico real que permanece sin explicación satisfactoria.
El cielo en un óvalo
Mucha gente se pregunta por qué la imagen del cielo aparece con la forma de un óvalo, lo cual típicamente dificulta su interpretación. El motivo es que mirar el cielo a nuestro alrededor es equivalente a mirar la superficie interior de una esfera desde el centro (hacia afuera), por lo que al proyectar una esfera en un plano (para poder mostrar en dos dimensiones una imagen tridimensional) se obtiene el familiar óvalo mostrado en las imágenes de arriba. Esto es lo mismo que ocurre cuando miramos un mapamundi, en el que un mapa ovalado muestra toda la superficie de la Tierra.
Este globo del CMB es bastante famoso, hace tiempo noté que está presente incluso en el departamento de Sheldon y Leonard en la serie The Big Bang Theory, en la cual ha aparecido George Smoot, uno de los líderes de COBE y ganador del Premio Nobel 2006.
