“3K: The Cosmic Microwave Background Radiation” es un libro de cabecera de los que estudian la radiación del Fondo Cósmico de Microondas (también conocido como CMB, sus siglas en inglés). Lo escribió Bruce Partridge, del Haverford College (Pensilvania, EEUU), hace más de diez años. Él, ahora, se encuentra en Tenerife, participando en la Escuela de Invierno del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) dedicada al tema de su manual. Los alumnos tienen mucho que aprender de este veterano de la Radioastronomía, interesado en el origen y evolución de las estructuras a gran escala del Universo. Un notable científico que animaría a un estudiante de Física a trabajar en este campo diciéndole: “¿Te gustaría comprender los primeros días de la historia del Universo, averiguar cómo se formaron en él estructuras como las galaxias y determinar el conjunto geométrico del espacio tiempo?” He aquí, a su juicio, “algunos atractivos de la Cosmología actual”.
La historia de la experimentación en la Cosmología observacional ha evolucionado considerablemente en las últimas décadas. “Durante muchos años –recuerda Partridge-, la Cosmología fue, ante todo, un ejercicio de matemáticas, la derivación de lo que llamamos ‘modelos’, o diversas descripciones de las posibles propiedades de un Universo gobernado por la Relatividad General. A finales de los 50, esta situación empezó a cambiar cuando astrónomos como Alan Sandage usaron grandes telescopios ópticos para observar galaxias distantes, trazar sus velocidades y, por tanto, comenzar a determinar las propiedades espaciales del Universo”.
“Pero lo que realmente cambió nuestro campo –subraya Partridge- fue el descubrimiento de la radiación que dejó el caliente Big Bang. Este hito tuvo lugar a finales de 1964 y, efectivamente, hizo que la Física aportara un soporte real a nuestras teorías sobre la Cosmología”.
UN “RUIDO” INESPERADO
En 1964, los ingenieros estadounidenses Arno Penzias y Robert Wilson, de los Laboratorios Bell en Nueva Yersey, estaban adaptando una antena de radio para la recepción de señales de los primeros satélites de comunicaciones, cuando registraron un “ruido” inesperado. Sus primeras sospechas recayeron en un par de palomas que habían anidado en el hueco de la antena. Pero tras limpiar lo que llamaron “blanca sustancia dieléctrica”, refiriéndose a los excrementos de las aves, y eliminar todas las posibles causas terrestres, observaron que el ruido se mantenía. Como averiguaron más tarde, tras ponerse en contacto con un grupo de astrofísicos de Princeton, Penzias y Wilson habían descubierto el eco del Big Bang, una radiación que procedía del fondo cósmico y que inundaba la Tierra en cualquier dirección. Por ello recibieron el Premio Nobel de Física en 1978.
Ya en los años 40, George Gamow había predicho que debía quedar una radiación fósil en el universo actual procedente de una época primitiva del Universo con una temperatura de sólo unos diez grados sobre el cero absoluto. Como resultado de la expansión del Universo en su largo viaje de unos 14.000 millones de años de duración, esta radiación, que comenzó siendo luz, se ha ido enfriando hasta alcanzar una temperatura muy baja: algo menos de 3 Kelvin o -270ºC –de ahí el título del libro de Partridge-, una cifra tan sólo un poco inferior a la estimada por Gamow.
Ahora, esta radiación nos llega muy debilitada, principalmente en forma de pequeñas ondas de radio que reciben el nombre de “microondas”; por ello se añade este término cuando se habla de la radiación del Fondo Cósmico (Cosmic Microwave Background o CMB).
Esta radiación, como apuntaba Partridge, ha tenido desde su descubrimiento una importancia estratégica para la Cosmología moderna. Y ello por ser la más antigua que se puede observar en el Universo y proporcionar no sólo la prueba más contundente para la teoría del Big Bang, sino también información acerca de la estructura que sirvió de semilla para crear los objetos que observamos en el universo actual.
“EL SUEÑO DE LOS FANÁTICOS”
“En 1960 había una variedad de modelos matemáticos para el Universo, con muy pocos datos observacionales que ayudaran a poder elegir entre alguno de ellos. En este sentido, la Cosmología era aún un campo especulativo. Es más, en esa década, un reconocido astrónomo describió la Cosmología como ‘el sueño de los fanáticos’”, comenta Partridge refiriéndose a la célebre frase atribuida al Premio Nobel William Fowler.
“Ahora, entre 40 y 45 años más tarde –advierte-, estamos en una situación muy diferente. Muchos de los parámetros cosmológicos cruciales que determinan la geometría del espacio, la composición de los contenidos del Universo y otros aspectos, han sido medidos con sustancial precisión”.
“Muchos de estos resultados –explica este investigador- parten de dos importantes tipos de observación. El primero es el uso de las supernovas en galaxias distantes para determinar la historia de la expansión del Universo. Estas observaciones, anunciadas por primera vez en 1998, comenzaron a revelar el hecho de que la expansión del Universo se estaba acelerando, en lugar de decelerando, tal y como se esperaba por la acción única de la gravedad. El otro tipo de observaciones son aquellas que se centran en la distribución, a escala angular, de pequeñas diferencias de temperatura en el calor remanente del Big Bang: la anisotropía en la radiación del CMB.”
EN BUSCA DE LAS ANISOTROPÍAS
Comprender cómo el universo primitivo se transformó en el que ahora vemos es uno de los grandes enigmas por resolver de la Astrofísica. Se cree que la actual distribución de galaxias, en forma de cúmulos y supercúmulos, vacíos y demás estructuras, es el resultado de variaciones infinitesimales en la densidad de la materia en una época muy temprana del Universo, muy cerca de su origen. Las condiciones físicas de entonces hacían que la materia y la radiación estuvieran íntimamente ligadas. Las irregularidades en la distribución de materia habrían dejado su huella en la radiación del CMB y ahora deberían manifestarse como pequeñas variaciones en la temperatura de esa radiación según las distintas direcciones de observación (anisotropías). En otras palabras, la radiación del fondo cósmico, aparentemente homogénea, debería no ser igual en todas las direcciones para justificar la existencia de las galaxias. Sin embargo, y aunque de ello dependía la validez de la teoría del Big Bang, a comienzos de la década de los noventa aún no se habían detectado tales anisotropías.
“Estas anisotropías en el Fondo Cósmico de Microondas –explica Partridge- son pequeñas regiones donde la temperatura es ligeramente mayor o ligeramente menor. Es fácil ver cómo aparecen en un Universo que no es por completo homogéneo. En regiones donde la materia es más densa, la temperatura es un tanto mayor (imagine introducir más aire en el neumático de una rueda de bicicleta: se calienta). Hay otros efectos presentes, incluido el desplazamiento Doppler, causado por el movimiento de material, provocado por fuerzas gravitacionales. Pero el resultado básico es que las anisotropías en la temperatura del CMB revelaron la escala y la amplitud de pequeñas inhomogeneidades en el Universo en una etapa temprana concreta.”
“Así –añade este radioastrónomo-, me satisface decir que las imágenes del CMB, como la que adjunto, son, de hecho, imágenes del Universo bebé. Nos dicen cómo era el Universo en un momento concreto de su historia temprana, sólo 300.000 ó 400.000 años tras el Big Bang inicial.”
La comunidad científica está expectante ante los nuevos descubrimientos que se esperan en este campo y que vendrán tanto de experimentos en tierra como desde el espacio. “En lo que concierne a los estudios sobre anisotropías en el CMB, “el futuro es extremadamente prometedor, y casi está a nuestro alcance”, asegura Partridge. “Está previsto –informa- que, en menos de un año, la Agencia Espacial Europea lance el satélite Planck, que hará un cartografiado del Fondo Cósmico de Microondas a lo largo de prácticamente todo el cielo con una excelente resolución y una precisión sin precedentes. Los instrumentos operan en un amplio rango de longitudes de onda, por lo que serán capaces de controlar las fuentes que, en un primer plano de emisión, pueden alterar nuestro conocimiento del fondo cósmico en sí mismo. Y hay un gran trabajo desde Tierra, tanto en las Islas Canarias como en otras partes del mundo, en todo lo que se refiere a medidas de anisotropías, generalmente en pequeñas escalas angulares. A pequeña escala, estas anisotropías pueden observarse desde tierra, ya que la atmósfera no supone un problema. A grandes escalas angulares, es probable que las mejores observaciones vengan del espacio.”
CUESTIONES OSCURAS
Fue el astrónomo Fritz Zwicky quien descubrió en los años treinta del siglo pasado que el 90% de la materia del Universo parecía ser invisible. La astrónoma Vera Rubin rehizo los cálculos del científico suizo para intentar averiguar por qué las agrupaciones de galaxias parecían pesar más que las sumas de cada una de las galaxias que contenían. Con sus curvas de rotación, Rubin llegó a la conclusión de que lo que los astrónomos llaman galaxias sólo eran, de hecho, los núcleos luminosos de nubes mucho más grandes, oscuras y de mayor masa. Los astrónomos barajan varias hipótesis desde entonces, pero seguimos sin conocer la naturaleza de esta materia oscura.
“Hay muchos rastros de evidencias que sugieren la existencia de la materia oscura. Uno de los más destacados es la amplitud de la fluctuación observada en el CMB”, señala Partridge. Y añade: “Sabemos, por otras observaciones del CMB, que el total de la densidad de masa y energía en el Universo está muy cerca de lo que denominamos el valor crítico. Este valor crítico se corresponde con una geometría espacial plana, euclídea, potentemente favorecida por los resultados del CMB. Si la masa crítica estuviese compuesta en su totalidad por materia ordinaria, no por materia oscura, la amplitud de las anisotropías del CMB sería muchísimo mayor que la observada. Los resultados más recientes del CMB sugieren que la materia oscura excede a la materia ordinaria bariónica en un factor aproximado de 5-10.”
En cuanto a la “energía oscura”, que supuestamente está provocando la aceleración de la expansión del Universo y cuya naturaleza, como la de la materia oscura, desconocemos igualmente, el CMB juega de nuevo un papel importante. “Análisis minuciosos del modelo de las anisotropías del CMB –comenta Partridge- proporcionan también un consistente pilar para apoyar la existencia de energía oscura. Afortunadamente, las restricciones que presentan las observaciones del CMB y las restricciones establecidas por las observaciones de supernovas son de distinta naturaleza. El hecho de que encajen tan bien nos hace confiar considerablemente en la existencia de la energía oscura.”
El CMB también podría aportarnos algo de luz sobre otra cuestión “oscura”: la estructura del Universo, en especial sobre los miles y miles de cúmulos de galaxias aún no descubiertos. “Los cúmulos de galaxias –explica Partridge- son difíciles de detectar a grandes distancias tanto si usamos observaciones en rayos X u observaciones en el rango óptico. La razón es que son fuentes que se hacen más débiles con la distancia.”
“Por otro lado –prosigue este investigador-, el gas caliente que hay en los cúmulos de galaxias introduce un pequeño ‘agujero’ en el CMB a frecuencias por debajo de 217 GHz, porque ese gas caliente dispersa los fotones del CMB. La profundidad de esos ‘agujeros’ es independiente de la distancia a la que está el cúmulo. De esta manera, buscar pequeños ‘agujeros’ en el CMB puede proporcionarnos una forma de detectar cúmulos a largas distancias y, por lo tanto, en una etapa temprana de su historia. Esta técnica la están poniendo en práctica activamente varios grupos que trabajan en Estados Unidos, en el Polo Sur y en el desierto de Chile.”
Sin duda, los estudios de la radiación del CMB iluminarán tan “oscuras” cuestiones.
A lo largo de las dos semanas de la Escuela de Invierno, los medios de comunicación tendrán a su disposición toda la información relacionada con la misma (Entrevistas, Fotos y Vídeos), en la página web de Sala de prensa/Press Room de esta Escuela: http://www.iac.es/winschool2007/pages/press-room.php
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