Historia, verdades y nuevas teorías sobre la Radiación de Fondo de Microondas

Si perteneces al grupo de personas que suele interesarse por las novedades y noticias en la magnífica ciencia de la astronomía, o más específicamente aún, si tienes un interés particular por el campo de la cosmología, de seguro habrás oído hablar o leído acerca de la Radiación de Fondo de Microondas (o CMB, por sus siglas en inglés). En caso de no ser así, no tienes de que preocuparte: en este artículo voy a explicar, de manera sencilla y comprensible, todo lo que hay que saber acerca de este espectacular fenómeno cosmológico.

La forma más simple y precisa de explicar cualquier clase de cosa suele ser empezando por el principio. En este caso, el principio de la historia sobre la radiación de fondo de microondas coincide con el inicio de todo lo demás. A partir de este momento, viajaremos en el tiempo a un pasado sumamente remoto, a una época donde el tiempo y el espacio eran recién nacidos tratando de encontrar orden entre el caos y la confusión. Y luego daremos algunos saltos importantes a través del espacio-tiempo, para continuar con la explicación e imprimirle la emoción que merece el viaje. Comencemos.

• Hace 13.700 millones de años…

Todo lo conocido concentrado en un único punto. El espacio-tiempo curvado infinitamente en una singularidad de infinita densidad. La singularidad no se encuentra contenida en ningún lugar: lo que denominamos “lugar” o “espacio”, de acuerdo a las tres dimensiones espaciales, todavía no existe. La singularidad tampoco se encuentra en ningún instante ni momento: la cuarta dimensión, que conocemos como tiempo, tampoco ha sido creada. En la singularidad ninguna de las leyes que rigen el Universo se aplican y todas las teorías científicas dejan de ser válidas. Y entonces… ¡Bang![1] Se produce la Gran Explosión.[2]


La singularidad comienza a expandirse de manera inflacionaria. Menos de una mil millonésima de segundo tras el Big Bang se forma una “burbuja” mucho menor que una fracción de un átomo, increíblemente pequeña y enormemente caliente. Allí dentro, las cuatro fuerzas que rigen nuestro Universo (la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte) se encuentran unificadas en una única fuerza fundamental. Habiendo transcurrido menos de un segundo desde la Gran Explosión, la superfuerza mencionada se divide en las cuatro fuerzas de la naturaleza que hoy conocemos.

Todo el Universo, aún demasiado denso y caliente, es un plasma compuesto principalmente por electrones, fotones y bariones. Dada la altísima energía media del plasma, los electrones no pueden unirse a los protones y neutrones para formar átomos, por lo que se la pasan chocando e interactuando constantemente con los fotones (es debido a este fenómeno que hoy no podemos observar directamente el estado del Universo en ese momento, dado que los fotones son las partículas elementales responsables del fenómeno electromagnético, incluida la luz visible). A medida que el Universo se expande el plasma se enfría, hasta que tras unos 380.000 años resulta posible la unión de electrones con protones para formar átomos de hidrógeno. Es entonces cuando los fotones pueden empezar a viajar libres a través del espacio, ahora que ya no colisionan constantemente con los electrones dispersos: lo que conocemos como radiación de fondo de microondas es justamente el resultado de esto. El Universo continuó expandiéndose y enfriándose con el paso del tiempo. La radiación de fondo de microondas es el aún resonante eco, el ruido constante, en forma de radiación electromagnética, de aquella inmensa explosión que dio origen a nuestro Universo. Y entonces, muchísimo tiempo después…

Gráfica simplificada de la evolución y expansión del Universo.

• Hace 45 años…

En un pequeño planeta azulado, orbitando a una estrella ordinaria, una especie animal del orden de los primates, que a través de la evolución ha desarrollado una alta capacidad de razonamiento y lógica, se debate entre dos modelos para explicar el Universo: la teoría del estado estacionario y la teoría del Big Bang. Durante muchos años no se encuentran pruebas concluyentes para inclinar la balanza a favor de ninguna de ellas, hasta que…

En el año 1965, dos físicos norteamericanos llamados Arno Penzias y Robert Wilson se encuentran trabajando en un detector de microondas para la comunicación con satélites. Pero algo no funciona bien en sus experimentos: cada vez que apuntan el detector al cielo, éste capta mucho más ruido del esperado. Además este ruido parece no proceder de ninguna dirección en particular y es el mismo en cualquier dirección que se apunte el detector, por lo que debe proceder del exterior de la atmósfera. También es el mismo a lo largo del año, de día o de noche, mientras girase la Tierra sobre su propio eje y alrededor del Sol, de manera que este ruido extra debe provenir incluso de las afueras de la galaxia.

Fotografía de Penzias y Wilson, descubridores de la radiación de fondo de microondas.

Casi sin quererlo, estos dos físicos encontraron el remanente de la gran explosión que dio nacimiento al Universo, la evidencia definitiva que afirma la validez de la teoría del Big Bang. La radiación de fondo de microondas llena el Universo por completo y es la misma en cualquier lugar que se la mida. Es lo más lejos que los humanos hemos podido observar en nuestro Universo, cuando éste solamente contaba con 380.000 años y su temperatura pasó a ser lo suficientemente baja como para comenzar a transmitir información en el espectro electromagnético (en este caso, en forma de microondas).

• Hace 21 años…

El satélite Explorador del Fondo Cósmico (COBE, por sus siglas en ingles) es puesto en órbita en el año 1989 para investigar la radiación de fondo de microondas, con el objetivo de obtener datos y medidas que amplíen nuestra comprensión del cosmos. A través de los instrumentos infrarrojos del COBE se obtiene el primer mapa detallado de la radiación de fondo de microondas, hecho que modifica el estudio de la cosmología para siempre.

Mapa de la radiación de fondo de microondas provisto por el satélite COBE.

• Hace 10 años…

Con el objetivo de continuar profundizando en el estudio de la radiación de fondo de microondas, para obtener datos más claros, precisos y medir las diferencias de temperaturas, la NASA lanza la sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). La increíble precisión de la sonda nos brinda una imagen muchísimo más detallada de la radiación de fondo de microondas y nos permite, entre otras cosas, precisar la edad del Universo en 13.700 millones de años. Gracias a los estudios de la WMAP también se pudo estimar que nuestro Universo se compone en un 4% de materia ordinaria, un 23% de materia oscura y un 73% de energía oscura.

Mapa de la radiación de fondo de microondas, muchísimo más preciso y detallado, provisto por la sonda WMAP.

• En la actualidad…

Lo que hemos examinado hasta el momento es la historia (muy resumida) de uno de los fenómenos más asombrosos de la cosmología moderna y que más ha cambiado nuestra comprensión a gran escala del Universo. Pero esto no termina aquí, de ninguna forma. La radiación de fondo de microondas parece nunca callarse y sigue “susurrando” al oído de cosmólogos y físicos increíbles teorías sobre los orígenes de nuestro Universo.

En noviembre del año 2010, el físico Roger Penrose propuso una excéntrica teoría. Tras analizar la información enviada por el WMAP sobre el fondo de microondas, Penrose afirmó haber encontrado una serie de patrones circulares concéntricos que sugieren que el Universo existía incluso antes del Big Bang. Según Penrose, el espacio-tiempo no comenzó a existir en el Big Bang, sino que nuestro Universo existe en un ciclo continuo de "rebotes" que él denomina "eones". De esta forma, lo que percibimos como nuestro Universo no es más que uno de estos eones; ha habido otros antes del Big Bang y habrá otros después.

La teoría de Penrose ha sido sumamente criticada, incluso se han publicado diversos papers que refutan tanto su teoría como sus observaciones. En respuesta a esto, Penrose ha publicado en el mes de diciembre un nuevo artículo científico para respaldar su teoría, indicando que dos grupos diferentes han confirmado de manera separada los resultados de su publicación original. De todos modos, la teoría de los eones se mantiene por el momento en el campo de la especulación científica.

Supuestos patrones circulares concéntricos en los registros del WMAP, encontrados por el físico Roger Penrose.

Por otro lado, una de las noticias más recientes es resultado de una publicación realizada el 9 de diciembre del 2010 por un grupo de investigadores de la Universidad de Londres. Estos sugieren que la radiación de fondo de microondas podría esconder entre sus datos la colisión de otro Universo con el nuestro. Según los investigadores, si algún otro Universo hubiera interactuado con el nuestro deberían existir huellas con características reconocibles en la radiación de fondo, tales como bordes definidos y formas simétricas.

Los investigadores crearon un algoritmo informático para analizar parte de los datos enviados por la sonda WMAP, y dicho algoritmo encontró parámetros que coinciden con los buscados. De cualquier forma, esto no prueba que existan otros Universos además del nuestro, sino que a través de esto se intenta promover un estudio cosmológico más detallado y con mayor resolución, utilizando equipos como el satélite Planck lanzado el año pasado por la Agencia Espacial Europea (ESA).

• En el futuro…

Diversos experimentos se encuentran en curso con el objetivo de mejorar las medidas y precisar el fondo de microondas en pequeñas escalas. Algunos de estos son el DASI, WMAP, BOOMERanG y el Cosmic Background Imager. Los experimentos venideros en este campo son el satélite Planck, el Telescopio Cosmológico de Atacama y el Telescopio del Polo Sur. Todos ellos nos ayudaran a estudiar en mayor detalle y con mayor profundidad el fenómeno cosmológico que más respuestas nos ha brindado acerca del origen de nuestro Universo y que, esperamos, nos brinde muchísimas más.


Referencias:

• [1] Decir “entonces” es sólo una forma de expresarlo, recordemos que no hubo un momento donde la singularidad estuviera estable y otro momento en el que “explotase”: el tiempo no existía todavía, no se puede hablar de momentos.
• [2] En un sentido estricto, no pudo haber sido grande ya que se produjo exactamente antes del surgimiento del espacio-tiempo, habría sido el mismo Big Bang lo que habría generado las dimensiones desde una singularidad; tampoco fue exactamente una explosión en el sentido propio del término ya que no se propagó fuera de sí mismo.

Fuentes:

• The Theory of Everything: The Origin and Fate of the Universe. Stephen W. Hawking. 2002.
• Cosmology and controversy: the historical development of two theories of the Universe. Helge Kragh. 1996.
• Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity. V.G.Gurzadyan, R.Penrose. 16 Nov 2010.
• More on the low variance circles in CMB sky. V.G.Gurzadyan, R.Penrose. 7 Dec 2010.
• First Observational Tests of Eternal Inflation. Stephen M. Feeney (UCL), Matthew C. Johnson (Perimeter Institute), Daniel J. Mortlock (Imperial College London), Hiranya V. Peiris (UCL). 9 Dec 2010.