El CMB: la luz más antigua del Universo

Y explotó… una explosión capaz de formar un entramado de miles de millones de galaxias. Así comienza nuestra historia. Pero avancemos hasta el ahora, alrededor de unos 13.800 millones de años. Los laboratorios Bell eran el orgullo científico de Estados Unidos. Allí trabajaban Arno Penzias y Robert Wilson, dos físicos encargados de calibrar la antena Homdel que iba a ser utilizada para las telecomunicaciones. En principio iba a ser un trabajo sencillo, rutinario… no podían imaginar lo que estaban por descubrir, nada más y nada menos que la confirmación a una de las teorías más famosas: el Bing Bang.

 El Fondo Cósmico de Microondas

Durante la calibración de la antena encontraron un extraño ruido que no eran capaces de eliminar: pusieron cinta aislante en las juntas, limpiaron la antena, desmontaron y volvieron a montarla. ¿Qué era este ruido que veían en cada uno de los rincones del Universo a los que apuntaban? No encontraban solución hasta que llamaron a la Universidad de Princeton, donde se dieron cuenta de que ese maldito ruido era en realidad la imagen más antigua del Universo. La luz de cuando tan solo tenía unos 400.000 años. A esta radiación se le conoce como Fondo Cósmico de Microondas o CMB por sus siglas en inglés.

En los primeros momentos de nuestro Universo, la temperatura era tan alta que ni siquiera podían existir átomos. Los protones, neutrones y electrones no podían mantener un equilibrio en que estar unidos. Por el contrario viajaban de un lado para otro, sin permitir que tan siquiera la luz pudiese viajar grandes distancias. Cuando se enfrió lo suficiente como para que protones y electrones formasen los primeros átomos de Hidrógeno, los fotones pudieron viajar por el cosmos libremente, el Universo se hizo transparente. Este es el momento en que “se hizo la luz”, y estos son los fotones más antiguos que podemos observar.

Antes del CMB los electrones y protones impedían que los fotones viajasen largas distancias. Después del CMB, electrones y protones formaron los átomos de Hidrógeno y los fotones pudieron viajar libremente.

Lo que detectaron Penzias y Wilson fueron estos mismos fotones que llegan a nosotros en forma de microondas, pudiendo así ser detectado por una antena de telecomunicaciones. Pero, ¿cómo es posible que si esa luz en el Universo primitivo era mucho más energética, nos lleguen microondas que tienen una energía tan baja? La causante de este fenómeno es la  expansión del universo. La energía de un fotón se mide a través de su longitud de onda, es decir la distancia entre dos de sus máximos (crestas) consecutivos. Inicialmente la longitud de onda de los fotones emitidos era muy pequeña, tenían mucha energía. Pero al ir viajando por un universo en expansión, la onda se va estirando aumentando la separación entre sus crestas, disminuyendo así su energía. Después de miles de millones de años recorriendo el cosmos hasta nosotros, esos fotones se han alargado lo suficiente como para que puedan ser detectados por una simple antena.

Con la expansión del Universo, un fotón pierde energía al ser estirado.

Grumitos en el mapa

Observar el CMB es ver el Universo primitivo. Esos fotones nos dicen la temperatura del Universo en el momento en que comenzaron a viajar libremente, y podemos crear un mapa de temperaturas en cada punto del espacio. Las primeras imágenes que se tomaron mostraban dos zonas bastante diferenciadas, distinguiendo un lado del Universo más cálido que el otro. El motivo es que no podemos observar el Universo sin estar fuera de nuestro propio ‘hogar’. Al igual que la Tierra gira en torno al Sol, el Sol lo hace en torno al centro de la Vía Láctea. Y lo que es más, también nuestra galaxia está en movimiento por pertenecer a un conjunto de varias galaxias: el Grupo Local. Este hecho hace que todo lo que observemos esté sujeto a nuestro propio movimiento, al igual que cuando viajamos en coche parece que todo lo de afuera se está moviendo. Por tanto, la zona más caliente del mapa corresponde a la que nos acercamos y la fría de la que nos alejamos. De nuevo nos hemos encontrado con el Efecto Doppler.

Dipolo del Fondo Cósmico de Microondas.

Contrarrestando este efecto vemos que el verdadero aspecto del CMB es muy homogéneo, o lo que es lo mismo, la temperatura parece ser exactamente igual en cada lugar. Pero años más tarde y mejorando la precisión de los instrumentos de medida, se llegó a un mapa lleno de ‘grumitos’. Estas son las anisotropías del CMB, y a pesar de representar temperaturas de tan solo 0,00001 K por encima o por debajo de la media, marcan una diferencia increíble para crear el Universo tal y como lo conocemos.

Imagen homogénea de la radiación de fondo y sus anisotropías.

Las semillas galácticas

Y por qué tanto bombo a la temperatura que tenía el Universo y a esos grumitos… porque las anisotropías eran las semillas de lo que hoy son las grandes estructuras del Universo. Conjuntos de galaxias, que se agrupan en filamentos y que parecen ordenarse como una red neuronal, tienen su origen en estas manchitas.

Las zonas con temperaturas por encima de la media, las más cálidas del mapa del CMB, corresponden a zonas de mayor densidad. En estos puntos era mayor la presencia del plasma caliente formado de fotones y materia. Por la interacción gravitatoria, la materia llama aún a más materia… es decir, que las diferencias entre zonas de mayor y las de menor densidad cada vez estaban más marcadas. Son estas mismas sobredensidades las que, al cabo de un tiempo, iban a dar lugar a las galaxias que hoy conocemos: formadas por miles de millones de estrellas, que a su vez son orbitadas por innumerables planetas, y que en uno de esos estamos nosotros entendiendo qué sucedió 400.000 años después del Big Bang. ¿No es alucinante?

Imagen del Universo a gran escala.

El estudio de las anisotropías del CMB es un tema candente en la física actual. Con esas diminutas manchitas los científicos están siendo capaces de predecir, por ejemplo, la cantidad de materia oscura que debía haber en el momento del CMB, o incluso que el Universo parece ser bastante plano. 

Pero cabe preguntarnos, ¿es el CMB nuestro límite?, ¿no podemos observar nada anterior a este acontecimiento? Pues bien, observar de forma literal: no. No hay luz más antigua que pueda llegar a nosotros ya que el Universo era opaco. Sin embargo, igual que los fotones fueron libres en el CMB, otras partículas lo fueron mucho antes. Una de estas partículas son los neutrinos. El objetivo de encontrar el fondo de neutrinos trae locos a los científicos, ya que detectarlos es realmente complicado, son de lo más ‘escurridizos’. Son partículas que prácticamente no interaccionan con nada. De hecho, varios miles de millones de neutrinos atraviesan un centímetro cuadrado de tu piel cada segundo.

Por suerte, existe otro fondo con muchas más esperanzas de ser detectado y… ¡es aún anterior! Una de las teorías que explicarían, entre otras cosas, por qué el Universo es tan plano es la inflación. Una etapa muy temprana del Universo en que la expansión habría sido realmente vertiginosa y durante un tiempo muy corto. Esta expansión tan violenta tuvo que haber generado ondas gravitacionales tan fuertes que podrían suponer un fondo en la actualidad. Este fondo está siendo buscado actualmente por el experimento LIGO. ¡Ojalá nos de otra alegría!

Referencias:

 

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