La Radiación de Fondo de Microondas (CMBR)

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.