Una imagen de la radiación de fondo cósmico de microondas, tomada por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) en 2013, muestra las pequeñas variaciones en el cielo
(Imagen: © ESA / Planck Collaboration)
Se cree que el fondo cósmico de microondas (CMB) es la radiación sobrante del Big Bang, o el momento en que comenzó el universo. Según la teoría, cuando el universo nació, sufrió una rápida inflación y expansión. (El universo todavía se está expandiendo hoy, y la tasa de expansión parece diferente dependiendo de dónde se mire). El CMB representa el calor sobrante del Big Bang.
No puedes ver el CMB a simple vista, pero está en todas partes del universo. Es invisible para los humanos porque hace mucho frío, solo 2.725 grados por encima del cero absoluto (menos 459.67 grados Fahrenheit, o menos 273.15 grados Celsius). Esto significa que su radiación es más visible en la parte de microondas del espectro electromagnético.
Orígenes y descubrimientos
El universo comenzó hace 13.800 millones de años, y el CMB se remonta a unos 400.000 años después del Big Bang. Esto se debe a que en las primeras etapas del universo, cuando era solo cien millonésimas del tamaño que tiene hoy, su temperatura era extrema: 273 millones de grados encima cero absoluto, según la NASA.
Cualquier átomo presente en ese momento se dividió rápidamente en pequeñas partículas (protones y electrones). La radiación del CMB en los fotones (partículas que representan cuánticos de luz u otra radiación) se dispersó de los electrones. "Por lo tanto, los fotones deambularon por el universo primitivo, así como la luz óptica deambula por una densa niebla", escribió la NASA.
Unos 380,000 años después del Big Bang, el universo era lo suficientemente frío como para que se pudiera formar hidrógeno. Debido a que los fotones CMB apenas se ven afectados por el impacto del hidrógeno, los fotones viajan en línea recta. Los cosmólogos se refieren a una "superficie de última dispersión" cuando los fotones CMB golpean la materia por última vez; después de eso, el universo era demasiado grande. Entonces, cuando mapeamos el CMB, estamos mirando hacia atrás en el tiempo a 380,000 años después del Big Bang, justo después de que el universo fuera opaco a la radiación.
El cosmólogo estadounidense Ralph Apher predijo por primera vez el CMB en 1948, cuando estaba trabajando con Robert Herman y George Gamow, según la NASA. El equipo estaba haciendo investigaciones relacionadas con la nucleosíntesis de Big Bang, o la producción de elementos en el universo además del isótopo (tipo) más ligero de hidrógeno. Este tipo de hidrógeno fue creado muy temprano en la historia del universo.
Pero el CMB se encontró por primera vez por accidente. En 1965, dos investigadores de Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias y Robert Wilson) estaban creando un receptor de radio, y estaban desconcertados por el ruido que estaba captando. Pronto se dieron cuenta de que el ruido venía uniformemente de todo el cielo. Al mismo tiempo, un equipo de la Universidad de Princeton (dirigido por Robert Dicke) estaba tratando de encontrar el CMB. El equipo de Dicke se enteró del experimento de Bell y se dio cuenta de que se había encontrado el CMB.
Ambos equipos publicaron rápidamente artículos en el Astrophysical Journal en 1965, con Penzias y Wilson hablando sobre lo que vieron, y el equipo de Dicke explicando lo que significa en el contexto del universo. (Más tarde, Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de física de 1978).
Estudiar con más detalle.
El CMB es útil para los científicos porque nos ayuda a aprender cómo se formó el universo primitivo. Está a una temperatura uniforme con solo pequeñas fluctuaciones visibles con telescopios precisos. "Al estudiar estas fluctuaciones, los cosmólogos pueden aprender sobre el origen de las galaxias y las estructuras de galaxias a gran escala y pueden medir los parámetros básicos de la teoría del Big Bang", escribió la NASA.
Mientras que las porciones del CMB se mapearon en las décadas siguientes después de su descubrimiento, el primer mapa de cielo completo basado en el espacio vino de la misión Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA, que se lanzó en 1989 y cesó las operaciones científicas en 1993. Esta "imagen de bebé ”Del universo, como lo llama la NASA, confirmó las predicciones de la teoría del Big Bang y también mostró indicios de estructura cósmica que no se habían visto antes. En 2006, el Premio Nobel de física fue otorgado a los científicos de COBE John Mather en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, y George Smoot en la Universidad de California, Berkeley.
Un mapa más detallado llegó en 2003 por cortesía de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP), que se lanzó en junio de 2001 y dejó de recopilar datos científicos en 2010. La primera imagen fijó la edad del universo en 13.7 mil millones de años (una medida desde entonces refinada a 13.8 mil millones años) y también reveló una sorpresa: las estrellas más antiguas comenzaron a brillar unos 200 millones de años después del Big Bang, mucho antes de lo previsto.
Los científicos siguieron esos resultados estudiando las primeras etapas de inflación del universo (en la billonésima de segundo después de la formación) y dando parámetros más precisos sobre la densidad del átomo, el abultamiento del universo y otras propiedades del universo poco después de su formación. También vieron una extraña asimetría en las temperaturas medias en ambos hemisferios del cielo, y un "punto frío" que fue más grande de lo esperado. El equipo de WMAP recibió el Premio Breakthrough 2018 en Física Fundamental por su trabajo.
En 2013, se publicaron datos del telescopio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea, que muestran la imagen de mayor precisión del CMB hasta la fecha. Los científicos descubrieron otro misterio con esta información: las fluctuaciones en el CMB a grandes escalas angulares no coincidían con las predicciones. Planck también confirmó lo que vio WMAP en términos de asimetría y punto frío. La publicación final de datos de Planck en 2018 (la misión funcionó entre 2009 y 2013) mostró más pruebas de que la materia oscura y la energía oscura, fuerzas misteriosas que probablemente están detrás de la aceleración del universo, parecen existir.
Otros esfuerzos de investigación han intentado analizar diferentes aspectos de la CMB. Una es determinar los tipos de polarización llamados modos E (descubiertos por el interferómetro de escala angular de grado basado en la Antártida en 2002) y los modos B. Los modos B se pueden producir a partir de la lente gravitacional de los modos E (esta lente fue vista por primera vez por el Telescopio del Polo Sur en 2013) y las ondas gravitacionales (que se observaron por primera vez en 2016 utilizando el Observatorio avanzado de ondas gravitacionales del interferómetro láser, o LIGO). En 2014, se dijo que el instrumento BICEP2 basado en la Antártida encontró modos B de ondas gravitacionales, pero la observación adicional (incluido el trabajo de Planck) mostró que estos resultados se debieron al polvo cósmico.
A mediados de 2018, los científicos todavía están buscando la señal que mostró un breve período de expansión rápida del universo poco después del Big Bang. En ese momento, el universo se estaba haciendo más grande a un ritmo más rápido que la velocidad de la luz. Si esto sucediera, los investigadores sospechan que esto debería ser visible en el CMB a través de una forma de polarización. Un estudio de ese año sugirió que un resplandor de los nanodiamantes crea una luz tenue, pero discernible, que interfiere con las observaciones cósmicas. Ahora que se tiene en cuenta este brillo, las investigaciones futuras podrían eliminarlo para buscar mejor la débil polarización en el CMB, dijeron los autores del estudio en ese momento.
Recurso adicional
- NASA: Pruebas de Big Bang: el CMB
