¿Podríamos llegar a ver el nacimiento de nuestro Universo?

¿Podríamos llegar a ver el nacimiento de nuestro Universo?

El estudio del fondo cósmico de microondas constituye una herramienta muy poderosa para comprender cómo se originó nuestro Universo, y acercarnos a sus primeros instantes.

Si queremos “ver” el Universo recién nacido, no usaremos una cámara fotográfica convencional, que captura la radiación electromagnética en longitudes de onda similares a las que puede detectar el ojo humano. Para el ver el Universo recién nacido debemos observarlo con unos “ojos” que nos permitan ver ondas de radio o en microondas. Cuando los astrónomos usamos receptores de microondas, captamos entonces una radiación que se originó cuando el Universo tenía unos 380,000 años: el fondo cósmico de microondas.

¿Qué es el fondo cósmico de microondas?

Hoy día, el modelo más ampliamente aceptado por la comunidad científica que describe el origen y evolución del Universo es el modelo de Big Bang. Según este modelo, el Universo nació hace unos 13,700 millones de años. En ese pasado remoto no existían galaxias ni estrellas, y la densidad y temperatura eran tan elevadas que toda la materia se encontraba en forma de plasma. Desde esa fase inicial, el Universo se habría expandido y enfriado, dando lugar con el tiempo a la formación de las estructuras que observamos hoy día: estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias… Pues bien, el fondo de microondas viene a ser una especie de huella térmica de ese pasado caliente de nuestro Universo. Durante la expansión, ese baño térmico también se ha enfriado, de manera que hoy día lo observamos a una temperatura de -270 C, apenas 3 grados por encima del cero absoluto de temperatura. Esta radiación tan fría sólo puede “verse” en microondas.

El fondo de microondas se conoce desde hace relativamente muy poco tiempo. El físico y astrónomo ucraniano George Gamow fue el primero en proponer su existencia a mediados de los años 40 del siglo pasado. Las primeras predicciones acerca de su temperatura aparecieron poco después, e incluso científicos de Princeton empezaron a preparar instrumentos específicos para su detección allá por los años 60. Sin embargo, el fondo cósmico de microondas fue descubierto de manera completamente fortuita por A. Penzias y R. Wilson en 1964, cuando hacían pruebas con una antena de telecomunicaciones en los laboratorios Bell (Nueva Jersey, EEUU). La propia existencia de dicha radiación constituye uno de los pilares centrales de nuestra visión del Universo, y así fue reconocido cuando en 1978 ambos recibieron el premio Nobel de Física por su descubrimiento. En palabras del propio Prof. Wilson, gracias a su descubrimiento la cosmología “pasó de estudiar objetos individuales a estudiar el Universo como un todo”.

¿Por qué es importante medir el fondo cósmico de microondas?

Tal como entendemos la evolución del Universo, todas las estructuras que observamos en nuestro entorno (galaxias, cúmulos de galaxias, etc.) crecen por efecto de la atracción gravitatoria a partir de pequeñas irregularidades en la distribución de materia que existía en el Universo primitivo. Estas “semillas originales” también habrían dejado su huella en el fondo cósmico de microondas, en forma de pequeñas variaciones espaciales de temperatura. Por este motivo, el estudio de dichas irregularidades constituye una herramienta muy valiosa para acercarnos al pasado de nuestro Universo, y poder entender así las propiedades globales del mismo.

Desde poco después de su descubrimiento, un gran número de experimentos intentaron detectar las huellas de esas semillas originales en el fondo de microondas, aunque su detección no llegaría hasta 1992, gracias a las medidas del satélite COBE de la NASA. La razón principal por la cual los astrónomos necesitamos tanto tiempo para detectar estas huellas fue la pequeña amplitud de las mismas, ya que constituyen desviaciones de tan sólo una parte en 100,000.

Sin embargo, estas minúsculas variaciones son tremendamente importantes, pues codifican las propiedades globales de nuestro Universo. Desde la década de los 90, múltiples experimentos se han dedicado a extraer de forma sistemática el mapa de irregularidades del fondo de microondas: muchos desde Tierra, algunos usando globos estratosféricos, y también con satélites como COBE, y más recientemente, con WMAP de la NASA y Planck de la Agencia Espacial Europea.

Gracias a todos estos experimentos, el fondo de microondas se ha convertido en una de las herramientas más poderosas de la cosmología moderna. Del estudio del mapa de irregularidades primordiales somos capaces de extraer con gran precisión un desglose de los constituyentes fundamentales de nuestro Universo. Así, nos hemos encontrado con la sorpresa de que la materia ordinaria de la cual estamos hecho (materia bariónica) apenas da cuenta del 5% del contenido total de energía del Universo. El 25% del total es debido a un tipo de materia no ordinaria que denominamos materia oscura. Y lo más sorprendente es que la mayor parte, el 70% del contenido energético del Universo, esta en una forma de energía cuyas propiedades no conocemos, y que denominamos energía oscura.

Fondo de microondas: Presente y futuro.

Aunque en los últimos años se ha avanzado significativamente en las comprensión de las propiedades globales del Universo, aún quedan muchos interrogantes que el estudio del fondo de microondas puede ayudar a resolver en un futuro inmediato.

Una de esas cuestiones esenciales es la compresión de los procesos físicos que tienen lugar en los primeros instantes del Universo, y en particular durante la primera fracción de segundo tras su nacimiento.

La cosmología moderna predice que durante ese instante inicial, el Universo habría atravesado por una periodo de expansión acelerada, que denominamos inflación. Desde un punto de vista teórico, la inflación proporciona un mecanismo para explicar el origen de las semillas primordiales que dieron lugar a las estructuras que vemos hoy día en el Universo. De hecho, algunas de las predicciones de dicho mecanismo ya han sido medidas y contrastadas por los experimentos actuales.

Sin embargo, existe otra gran predicción de la mayoría de los modelos de inflación que aún no ha sido comprobada, y es la existencia de ondas gravitacionales generadas durante los primeros instantes de vida del Universo. Las ondas gravitacionales son una predicción de la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. De haber existido en los primeros instantes de vida del Universo, estas habrían dejado una huella muy específica en la polarización de los mapas del fondo cósmico de microondas. La medida de dicho rasgo abriría un nuevo horizonte en la compresión del origen de nuestro Universo, y supondría un avance importante para la física de muy altas energías.

Por ello, en los próximos años varios experimentos de microondas van a intentar extraer dicha señal. El primero de ellos será el satélite Planck, de la Agencia Espacial Europea, que fue lanzado en Mayo de este mismo año 2009 y que ya está realizando sus mediciones a 1,5 millones de km de la Tierra. Desde España, han participado en su construcción la Universidad de Cantabria, la Universidad de Granada y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Por otro lado, durante el año próximo también iniciará su andadura un nuevo experimento que se instalará en el Observatorio del Teide (Tenerife), denominado QUIJOTE-CMB, para la medida de la polarización del fondo de microondas. Sin lugar a dudas, el estudio de los datos que proporcionen ambos experimentos (y muchos otros que se realizarán en los próximos años) supondrá un avance significativo en cosmología, acercando la frontera de nuestro conocimiento un poco más hacia el nacimiento de nuestro Universo.

AUTOR >> José Alberto Rubiño - IAC

Créditos

José Alberto Rubiño Martín es un investigador “Ramón y Cajal” del Instituto de Astrofísica de Canarias (Tenerife).

Figura: Mapa del Fondo Cósmico de Microondas obtenido por el satélite WMAP, de la NASA. La luz que nos llega del fondo de microondas se originó hace 13,400 millones de años, apenas 380,000 años después del nacimiento de nuestro Universo. Este mapa nos muestra, por tanto, cómo era el Universo recién nacido.

Créditos: NASA/WMAP Science Team (http://wmap.gsfc.nasa.gov/).