15 Fondo cósmico de microondas

El descubrimiento del fondo cósmico de microondas consolidó la teoría del Big Bang. Originado en el calor del universo más temprano, este mar de radiación electromagnética es resultado de una liberación de fotones que tuvo lugar hace 13.000 millones de años, cuando el espacio se volvió transparente y se formaron los átomos de hidrógeno.

En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron un resplandor templado en el cielo. Mientras trabajaban en su antena de radio de microondas en Nueva Jersey, los físicos de los laboratorios Bell descubrieron una tenue señal de calor que emanaba de todas direcciones y que no desaparecía. Al principio, supusieron que su origen era terrestre y pensaron que podía deberse a que las deposiciones de las palomas obstruían su antena sensible. No obstante, tras asistir a una conferencia del teórico de Princeton Robert Dicke, se dieron cuenta de que se habían dado de bruces con un enorme descubrimiento. La ola de calor que habían visto no provenía de la Tierra: tenía origen cósmico. Habían encontrado la luminiscencia predicha del Big Bang. Dicke, que había construido una antena de radio para observar la radiación de fondo, se mostraba un poco menos eufórico: «Chicos, nos han robado la primicia», bromeó.

Resplandor templado El fondo de microondas cósmico baña el cielo de una capa de calidez de unos 3 grados Kelvin (lo que equivale a 3 grados Celsius sobre el cero absoluto, que corresponde a unos 273°C bajo cero). Los físicos del Big Bang predijeron con precisión sus características. Cuando el universo era joven, estaba extremadamente caliente y llegaba a alcanzar miles de grados K, pero conforme se expandía, se enfriaba. En la actualidad, debería estar a exactamente 2,73 K; y eso es lo que Penzias y Wilson descubrieron.

El fondo cósmico de microondas tiene la temperatura mejor definida de cualquier fuente. Ningún instrumento fabricado por el hombre en un laboratorio podría haberlo hecho mejor. El cielo emite microondas en una horquilla de frecuencia que alcanza picos de 160,2 GHz (1,9 mm de longitud de onda), y es un ejemplo perfecto de un «espectro de cuerpo negro», es decir, una franja de frecuencias característica emitida por algo que absorbe y emite calor perfectamente, como una estufa de gas. En 1990, el satélite Explorador del Fondo Cósmico de la NASA (COBE) mostró que el fondo cósmico de microondas es el ejemplo más perfecto de un cuerpo negro, si bien es cierto que es mucho más frío que un atizador al rojo vivo.

Dipolo Si se observa con cuidado, el cielo no está exactamente a la misma temperatura por todas partes. Las microondas parecen más templadas en un hemisferio que en otro, con una diferencia de 2,5 mili-Kelvin, o una milésima parte de K. Descubierto poco después de la propia radiación de fondo, este patrón de calor se conoce como el «dipolo», porque tiene dos polos, uno caliente y otro frío. Esta diferencia de temperatura se debe al efecto Doppler, producido por el movimiento de la Tierra: el sistema solar se mueve a 600 km/s en relación al universo.

Si se observa todavía desde más cerca, a un nivel de una parte por un millón, comprobaremos que el cielo está salpicado de puntos calientes y fríos. Estas ondas son de gran interés para los astrónomos porque se formaron muy poco después del Big Bang. Las detectó por primera vez en 1992 el satélite COBE de la NASA, que reveló la existencia de numerosas manchas del tamaño de la Luna llena. En 2003, el satélite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) nos proporcionó un mapa más detallado que nos describió que los puntos eran, a su vez, conglomerados de puntos más pequeños. Otro satélite, llamado Planck, volverá a medirlos con un detalle aún más exquisito.

Fluctuaciones Estas fluctuaciones del fondo cósmico de microondas se originaron cuando el universo era extremadamente caliente. Después del Big Bang, el cosmos se expandió y se enfrió; se formaron fotones, partículas subatómicas y, finalmente, protones y electrones. Los núcleos de los elementos ligeros primordiales, incluidos el hidrógeno y un poco de helio y litio, se formaron en tres minutos. En esta fase, el universo era una sopa de protones y electrones que se movían por todas partes. Estas partículas tenían carga eléctrica, es decir, estaban ionizadas (los protones tenían carga positiva y los electrones, negativa), pero los fotones rebotaban en las partículas cargadas, de manera que el universo muy temprano estaba cubierto por una niebla opaca.

El universo se siguió enfriando. Los protones y electrones empezaron a moverse lentamente, y después de unos 400.000 años, finalmente pudieron permanecer unidos y formar átomos de hidrógeno. A lo largo de ese periodo, las partículas cargadas se combinaron gradualmente, y la naturaleza de la sopa cósmica cambió, ya que pasó de estar ionizada a ser eléctricamente neutra. El universo se convirtió, entonces, en un mar de hidrógeno.

Cuando el universo quedó libre de partículas cargadas, los fotones pudieron viajar libremente. De repente, se pudo ver. Estos mismos fotones, todavía más fríos, son los que conforman el fondo cósmico de microondas. En esta época, el universo estaba a una temperatura más o menos de 3.000 K, que correspondía a un desplazamiento hacia el rojo de un millar (z = 1.000; ahora está unas 1.000 veces más frío, a unos 3 K).

Paisaje cósmico Los puntos calientes y fríos que salpican ese baño de protones aparecen debido a la materia del universo. Algunas regiones del espacio contienen más materia que otras, de manera que los protones que viajan a través de ellas pierden velocidad en diferentes grados, según su trayectoria. El patrón preciso de las fluctuaciones de las microondas nos indica que la materia estaba desigualmente distribuida antes de que se formara ninguna estrella o galaxia.

La escala típica de las zonas calientes también nos aporta mucha información. El tamaño más común es de un grado en el cielo, es decir, dos veces el diámetro de la Luna llena. Ésta fue la predicción exacta que los teóricos hicieron analizando el patrón de materia en el universo actual y proyectándolo hacia atrás, teniendo en cuenta la expansión del universo. La ajustada coincidencia entre la proporción predicha y la observada implica que los rayos de luz deben viajar en línea recta a lo largo del universo. En consecuencia, los astrónomos afirman que el universo es «plano», pues los rayos no se doblan ni se curvan por distorsiones en el espacio-tiempo.

En resumen, el caso del fondo cósmico de microondas ha supuesto un gran triunfo para los teóricos. Hasta ahora han predicho sus características casi punto por punto. No obstante, existe la posibilidad de que los observadores descubran discrepancias y sugieran una nueva teoría física, tanto en los datos recogidos de los puntos calientes como a partir del satélite Planck, o en signos de polarización que surgen de experimentos que se están llevando a cabo en el polo Sur, en globos y con radiotelescopios especializados.

La idea en síntesis: el baño templado de fotones del universo