Este es el guión de una
pequeña conferencia que pronuncié el pasado 6 de junio en la sede
de Telefónica en Madrid, en el marco de “CosmoTelefónica”, una
iniciativa de divulgación de la Astronomía y Cosmología organizada
por un grupo de Ingenieros y Físicos amantes del Universo. Los otros
temas tratados fueron “La paradoja de Olbers”, “La Energía
Oscura” “Las Estrellas de Neutrones” y “Aplicaciones de
Astronomía para i-Pad”
Eran más de las 14:30 y
los asistentes llevaban ya dos charlas, de ahí la broma de las
patatas fritas.
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Buenas tardes y gracias por estar
aquí. He supuesto que os apetecería tomar algo, y he traído unos
aperitivos. (reparto unas bolsas de patatas fritas al público). La
verdad, no sé si aquí se puede comer, pero lo que quiero de verdad
es que os fijéis en la bolsa. Habéis visto miles de bolsas como
estas, pero nunca habéis pensado que ese plástico metalizado fino
es un material de la era espacial. De hecho, en 1960 era el
componente principal de los primeros satélites experimentales de
comunicaciones. ¿Os imagináis una bolsa de patatas de 30 m de
diámetro? No hace falta que la imaginéis. Aquí tengo una foto.
Este
es el ECHO 1. Su hermano, el ECHO 2 era todavía más grande, 42 m de
diámetro. Fijaos en las personas y el coche que hay abajo.
El
ECHO 1 y el ECHO 2 eran reflectores pasivos, colocados en una órbita
polar a unos 1200 Km de altura. Desde California se enviaba una señal
de radio, con canales de TV y conversaciones telefónicas, se
reflejaba en el satélite y se recibía en New Jersey. La señal que
llegaba a New Jersey era tan débil que hubo que construir una antena
especial para captarla: esta antena.
La
llamaban el cuerno de Holmdale, cuerno por su forma, y Holmdale por
el lugar en el que estaba ubicada.
En
1964, concluido con éxito el programa ECHO y su sucesor, el programa
Alstar (con satélites activos más parecidos a los que se usan hoy
día), se decidió usar la antena como radiotelescopio. Los doctores
Arno A. Penzias y Robert W. Wilson que ya habían trabajado con la
antena comenzaron a calibrarla para esta nueva misión. Todo
funcionaba perfectamente, salvo por un ruido en el rango de las
microondas que parecía provenir de todas partes y no conseguían
eliminar.
¿Qué
es lo primero que se os viene a la cabeza al escuchar la palabra
microondas?
Evidentemente,
el horno de la cocina. Sí, ese genera microondas, pero por suerte
no salen de allí, y calientan los alimentos.
Pero
hay más. Vivimos rodeados de microondas. El router WIFI que tenemos
en casa y el PC o la tablet que se conectan con él, generan
microondas. Y las emisiones de TV, y estoy seguro de que todos y
todas lleváis encima un generador de microondas (saco el móvil)
En
estos tiempos, Penzias y Wilson se habrían vuelto locos intentando
eliminar fuentes de ruido de microondas, pero en su época por
suerte había menos.
Descartaron,
la Vía Láctea y la cercana ciudad de New York. Incluso procedieron
a una limpieza minuciosa de la antena, que a lo largo de los años
había servido como hogar a numerosas palomas, que habían depositado
sobre su superficie lo que Penzias llamaba eufemísticamente “una
capa de material dieléctrico blanco”. (Caca de paloma, por si no
queda claro lo de dieléctrico)
De izquierda a derecha: Robert W. Wilson y Arno A. Penzias
Pero
el ruido de fondo persistía. Penzias y Wilson. Comenzaron a pensar
que “el ruido” realmente procedía del espacio exterior, y no era
un ruido cualquiera, era nada más y nada menos que EL ECO DEL BIG
BANG, la explosión que originó el Universo.
Dos
equipos de físicos teóricos habían predicho en dos ocasiones de
forma independiente la existencia de la radiación de fondo de
microondas, y uno de ellos, encabezado por Robert Dycke, estaba
buscándola en esos mismos momentos con una pequeña antena colocada
en el tejado de un edificio de la Universidad de Princeton.
El
Nobel de física de 1978 fue para Penzias y Wilson, sin mención para
los físicos teóricos que habían deducido su existencia, una
injusticia, pensamos algunos, pero como suele decirse cuando no gana
tu equipo, EL NOBEL ES ASÏ…
Pero,
¿De dónde salió la radiación de fondo de microondas? ¿Por qué
estaban tan seguros los teóricos de que tenía que estar ahí?
Para
responder a esta pregunta tenemos que subirnos en la máquina del
tiempo y retroceder hasta el primer segundo de existencia del
Universo.
En
los primeros instantes, el Universo era extremadamente pequeño, su
tamaño se medía a escala atómica y estaba gobernado por las
“extrañas” leyes de la Mecánica Cuántica. Sus propiedades
(presión, temperatura, densidad) eran homogéneas, iguales en todas
partes, salvo por las llamadas “fluctuaciones cuánticas”, que
introducían diminutas variaciones en sus valores.
Poco
después, entre los instantes 10 -35 y 10 -34 se produjo la
inflación, y en ese breve intervalo de tiempo, el Universo alcanzó
un tamaño comparable al que ahora observamos, pero con una
estructura muy diferente de la actual: el Universo primitivo era un
plasma a muy alta temperatura (unos 10.000 millones de grados), una
especie de “sopa”
homogénea compuesta por 4 ingredientes:
fotones (energía en forma de radiación electromagnética)
electrones libres, protones, y la misteriosa materia oscura. En estas
condiciones, los fotones que viajan a la velocidad de la luz, tenían
un camino libre muy corto, en poco tiempo encontraban en su camino un
electrón que cambiaba su trayectoria y no les permitía avanzar en
línea recta. En otras palabras, el
Universo era opaco, la luz
no podía abrirse camino a través de él.
Por
cierto, esta este efecto, a otra escala, es el causante de que el
cielo de la Tierra sea azul.
Esta
situación duró unos 380.000 años. Durante este tiempo, el Universo
fue expandiéndose y enfriándose, hasta alcanzar una temperatura de
“solo” unos 4.000 grados (recordad que la temperatura inicial era
de 10.000 millones de grados). A esta temperatura, la energía de los
electrones era suficientemente baja como para que pudieran ser
capturados por los protones para formar átomos neutros. A este
fenómeno se le denomina “Recombinación”. De esta forma, los
fotones encontraron por fin un camino libre y pudieron propagarse en
línea recta desde todos los rincones del Universo por todo el
Universo. Esos fotones
constituyen la radiación de fondo que observamos hoy día.
La mejor prueba de que disponemos del comienzo del Universo en forma
de gran explosión.
380.000
años nos parece mucho tiempo, pero no
es nada comparado con la
edad actual del Universo (13.700 millones de años), por eso se dice
que la radiación de fondo es un fósil de la época del Big Bang.
Como
todo fósil, la radiación de fondo nos proporciona muchísima
información sobre su época, pero la radiación no es un ser vivo
¿Qué nos puede enseñar?
Hablaré
de tres cosas:
- La
Temperatura del espacio
- Las
semillas de las galaxias
- La
composición del Universo, su estructura y su historia.
PRIMERO:
El frío del espacio
Las
leyes de la Termodinámica dicen que cualquier cosa cuya temperatura
esté por encima del cero absoluto emite radiación electromagnética.
Sin ir más lejos, todos nosotros, a una temperatura de unos 36º C
estamos emitiendo radiación infrarroja.
El
de la imagen soy yo mismo, captado por una cámara sensible a la
radiación infrarroja. Fijaos en la escala de temperatura a la
derecha, con un máximo a unos 36º C.
Objetos
más calientes emiten radiación visible, pensad en el hierro
calentado al rojo vivo, emite luz visible.
¿Cuál
es la temperatura del espacio, donde no hay nada?
Bueno,
hemos visto que hay algo: la
radiación de fondo de microondas.
Si
un cuerpo a 36º C emite infrarrojos, ¿A qué temperatura está
algo que emite microondas?
Una
vez más, los Teóricos sabían la respuesta, pero en 1989 la sonda
COBE de la NASA recogió datos para confirmar experimentalmente el
resultado.
Y
el resultado es que en el espacio hace mucho frío (y más que va a
hacer).
La
temperatura que indica la radiación de fondo es de 2,72 K., es
decir, unos 270º C BAJO CERO.
Recordando
lo que acabo de decir, cuando la radiación de fondo fue emitida, el
Universo estaba a unos 4.000 grados, es decir que la radiación de
fondo se emitió en el rango visible, ERA LUZ VISIBLE
¿por
qué ahora detectamos la radiación de fondo a una frecuencia mucho
más baja, en el rango de las microondas?
La
respuesta está en la expansión del Universo. La radiación está
“pegada” a la estructura del espacio – tiempo, y si ésta se
estira, la radiación también lo hace, aumentando su longitud de
onda, en el caso de la radiación de fondo hasta situarla en el rango
de las microondas, y consecuentemente, bajando su temperatura hasta
los 2,7 K (unos 270,3º C bajo cero) muy cerca del cero absoluto.
SEGUNDO:
Las semillas de las galaxias.
¿Recordáis
las fluctuaciones cuánticas de las que hablé hace poco? Son esas
pequeñas irregularidades que había antes de la inflación, debidas
a la Mecánica Cuántica. La teoría dice que tras la inflación
deberían haber aumentado a nivel macroscópico, dando origen a la
estructura de galaxias que observamos hoy en el Universo.
No
se me ocurre un caso más extremo de “efecto mariposa”: una
fluctuación a nivel cuántico produce a largo plazo toda una galaxia
con cientos de miles de millones de estrellas.
Permitidme
que vuelva otra vez al momento en que el Universo tenía 380.000
años, justo antes de que la sopa primordial se hiciese transparente
a la radiación. Las fluctuaciones cuánticas amplificadas por la
inflación han dado lugar a regiones de la sopa ligeramente más
densas que otras. Una mayor densidad implica un campo gravitatorio
más intenso, por lo que las regiones más densas tendían a atraer
hacia sí más y más masa, pero esta mayor densidad también hacía
dispersar los fotones con mayor intensidad, aumentando la presión
que éstos ejercían sobre la materia, dispersándola con mayor
eficacia.
Sometido
dos fuerzas: por un lado la gravedad ejercida por la materia oscura y
los protones que tendía a acumular materia en ciertas regiones, y
por otro la presión ejercida por los fotones que tendía a dispersar
las acumulaciones de materia provocadas por la gravedad, el Universo
entero vibraba como un gran instrumento musical.
Estas
fluctuaciones han dejado su huella en la radiación de fondo, en
forma de pequeñísimas variaciones de temperatura sobre los 2,72 K ,
del orden de una parte en 100.000
Estas
variaciones se ven claramente en los datos de la sonda WMAP, que
lanzó la NASA en 2001, y que se representan en este mapa como
diferencias de color, igual que en la imagen térmica de antes, pero
ahora las variaciones son mucho más pequeñas.
El
mapa que veis aquí es el resultado de 5 años de observación y un
largo procesado de los datos. Cada punto tiene una resolución
angular de aproximadamente un cuarto de grado (el tamaño en el cielo
de la Luna llena es de medio grado)
TERCERO:
La composición del Universo
Otra
forma de representar los datos de WMAP es mediante esta gráfica: el
espectro angular de potencia. La línea continua es la mejor
predicción de la teoría del modelo cosmológico estándar, los
puntos se obtienen de los datos de WMAP a través de un proceso
matemático complicado y muy laborioso, pero el esfuerzo merece la
pena. Esta curva permite determinar algunos de los principales
parámetros del modelo cosmológico estándar:
La
altura del primer pico determina la cantidad total de materia (oscura
y bariónica “normal”) que contiene el Universo, y por tanto
proporciona información sobre su geometría. Los datos de WMAP
confirman que el Universo es muy aproximadamente plano.
La
altura del segundo pico relativa al primero proporciona la densidad
de la materia ordinaria.
La
altura del tercer pico proporciona la densidad de materia oscura.
En esta región, las incertidumbres de los datos de WMAP son mayores.
De
la determinación de estos parámetros se pueden afinar los cálculos
sobre la edad del Universo y su ritmo de expansión (la Constante de
Hubble, si es que es constante)
WMAP
ha proporcionado más de 7 años de observaciones y sus datos se
siguen procesando par exprimir toda la información posible. Pero no
es suficiente.
En
2009 la Agencia Espacial Europea lanzó la sonda Planck con una
resolución mejorada, mayor sensibilidad y posibilidades de medir con
mayor precisión la polarización de la radiación de microondas. Sus
datos nos permitirán mejorar nuestro conocimiento sobre la materia
oscura, la inflación que ocurrió en los primeros instantes de la
existencia del Universo, y sobre la misteriosa energía oscura que
domina el Universo ahora.
Llevamos
47 años estudiando la radiación de fondo de microondas. descifrando
trabajosamente la información que contiene cada puntito coloreado de
esos mapas.
Personalmente,
cuando pienso en la radiación de fondo de microondas, lo que me
parece más fascinante es el simple hecho de que está ahí, que
existe, porque constituye la prueba más firme que tenemos de que el
Universo tuvo un comienzo en forma de gran explosión.
Espero
que os haya gustado la charla, y el aperitivo, y que la próxima vez
que abráis una bolsa de patatas fritas y veáis ese plástico
plateado os acordéis de la radiación de fondo de microondas, que
lleva escrita la historia del Universo.
Muchas
gracias.
