Artículo publicado originalmente en Neomenia, revista de la Agrupación Astronómica de Madrid.
Decía Aldous Huxley que las personas debemos el progreso a los insatisfechos. Y probablemente sea cierto, o al menos, así parece probarlo la historia del descubrimiento de la radiación de fondo de microondas.
Corrían mediados de los años sesenta. Dos astrofísicos, Amo Penzias y Robert Wilson, habían pedido permiso a la Bell Telephone para usar una de sus antenas en su investigación. Los dos astrofísicos pretendían estudiar el ruido electromagnético en la región de las microondas proveniente de la galaxia con el fin de mejorar las comunicaciones espaciales. Debían realizar numerosas observaciones y después proceder a la interpretación de los datos obtenidos. Fue en esta última fase de su investigación donde se iban a tropezar con un hecho que estaba llamado a impactar con fuerza en la investigación cosmológica. Cuando Penzias y Wilson estudiaron sus observaciones se percataron que cuando su antena apuntaba hacia algún punto de la bóveda celeste fuera del plano de la galaxia su equipo registraba un débil ruido electromagnético. Daba igual en que dirección apuntara la antena. La pequeña y molesta señal siempre aparecía.
Después de darle muchas vueltas al asunto Penzias y Wilson decidieron que tenía que ser algún problema del equipo. Así que optaron por desmontar la antena para revisarla. Podemos imaginar lo aliviados que se quedaron al descubrir los restos de un pequeño nido que unas palomas habían decidido colocar en la antena. Era probable que esa fuera la fuente del problema, así pues quitaron el nido y limpiaron meticulosamente la antena. Volvieron a montar la antena y se dispusieron a realizar nuevas observaciones. Pero para su sorpresa e imaginamos que desagrado la débil señal seguía haciendo acto de presencia. Superada su estupefacción inicial decidieron revisar otra vez el equipo. Y encontraron que las palomas habían vuelto a hacer de las suyas. Esta vez no sólo limpiaron la antena sino que alejaron las palomas de la misma para asegurarse de que no volvieran. Una vez más, cuando todo parecía estar en perfectas condiciones tuvieron que observar que pese a todo, la débil señal seguía apareciendo, claro que ésta no iba a ser la única sorpresa ya que también observaron que las palomas habían vuelto a la antena. Penzias y Wilson imaginamos que un poco hartos de las palomas tomaron medidas drásticas. Eliminaron físicamente a las palomas. Con las palomas ya fuera de juego, se dispusieron a realizar sus observaciones y aunque les resultara difícil de creer, la señal, seguía estando ahí. Incapaces de explicar qué era lo que estaba sucediendo, hablaron con compañeros de profesión. Parecía que nadie iba poder explicar a qué era debido ese ruido electromagnético. Hasta que el astrónomo Bernard Burke les puso en contacto con Peebles, fue este astrofísico y su equipo los que explicaron que ese ruido que detectaban Penzias y Wilson era ni más, ni menos, que los restos, la huella dejada por una época temprana del Universo en la que éste era mucho más denso y caliente.
De esta forma tan accidenta
da, y si no, que se lo pregunten a las palomas, fue como se descubrió la denominada radiación de fondo de microondas. Desde entonces hasta nuestros días los equipos de observación de dicha radiación han ido mejorado, volviéndose cada vez más sensibles. Permitiéndonos así profundizar en su estudio. El último de estos fabulosos instrumentos es el satélite WMAP que son las siglas en ingles de Sonda Wilkinson de la anisotropía del fondo de microondas. El cual presenta una sensibilidad increíble, ya que es capaz de detectar variaciones de veinte millonésimas de grado con respecto a los 2,73 grados Kelvin de promedio o –270,42 en grados centígrados.
Ahora hay que aclarar por qué se utilizan los grados kelvin o centígrados para hablar de la intensidad del fondo cósmico de microondas. Para ello hay que recurrir al concepto de cuerpo negro. Podemos describir de forma aproximada y esquemática un cuerpo negro como un objeto que absorbe toda la radiación electromagnética que incide en él, y al encontrase en equilibrio térmico luego emite toda esa energía. La cantidad de radiación emitida es proporcional a la temperatura a la que se encuentra dicho cuerpo. Así cuando leemos expre
siones como “la radiación de fondo de microondas tiene un valor promedio de 2,73K” lo que se está diciendo es que la radiación detecta es igual a la que emitiría un cuerpo negro a dicha temperatura.
Los datos se presentan como se muestra en la imagen 1. Se utiliza un código de colores en el que normalmente el rojo corresponde a la mayor intensidad y el azul a la menor.
La imagen 1 muestra el resultado final de todas las observaciones. Pero para llegar hasta ahí, primero hay que eliminar el ruido que emite nuestra galaxia en las frecuencias de microondas. Recordemos que Penzias y Wilson encontraron la radiación de fondo cuando estaban estudiando la emisión en microondas de nuestra propia galaxia. La obtención final del fondo de radiación de microondas se obtiene combinando las observaciones realizadas a frecuencias de 33GHz, 23GHz, 95GHz, 61GHz y 41GHz.
Es fácil distinguir la contribución de nuestra galaxia, ya que esta aparece como una franja de color rojo que cruza la imagen entera, justo por el centro.
No obstante suelen surgir varias concepciones erróneas relacionadas con la radiación de fondo. La primera de ellas es que el Universo tuvo forma de huevo u ovalo. Es muy probable que esta idea surja de las imágenes que suelen salir en televisión cuando dan alguna noticia relacionada con observaciones astronómicas realizadas por algunos de los satélites que se dedican a ello. Estas imágenes, como las que hemos visto en este artículo suelen tener forma de ovalo. Pero esto no quiere decir que el Universo tuviera dicha forma. La forma de dichas imágenes es debida a una proyección. Los datos son tomados por satélites como el COBE o WMAP, en todas las direcciones. Si representáramos estos datos en tres dimensiones el conjunto de todos ellos tendría forma de esfera. Pero como es evidente, seria muy engorroso tener que trabajar con un objeto de tres dimensiones. Así pues surge la necesidad de presentar los datos obtenidos de tal forma que sea fácil trabajar con ellos. Para esto los representamos sobre hojas de papel o sobre la pantalla de un ordenador. En consecuencia tenemos que adaptar esos datos para representarlos en dos dimensiones. Al hacer esto, es decir, al representar algo que tiene tres dimensiones en un objeto de tan sólo dos, como por ejemplo un folio, la forma de la proyección no puede ser completamente fiel al original.
Esto es algo mu
y común, y que estamos acostumbrados a ver constantemente. El siguiente ejemplo aclarara esto. Piensen en un cubo regular. Lo característico de esta figura geométrica es que todas sus aristas forman noventa grados entre si, pero cuando dibujamos (proyectamos) la figura sobre una superficie plana (fig.1) como por ejemplo un folio o la pantalla de un ordenador, observamos que esto deja de cumplirse. La proyección no puede representar fielmente el original, esto es consecuencia de pasar un objeto de tres dimensiones a una representación del mismo en tan sólo dos. El Universo no tiene, ni tuvo esa forma de huevo, entonces, ¿qué forma tiene? ¿Podemos conocer dicha forma? Estas preguntas no tienen fácil respuestas, si la nueva teoría M es correcta, la cual une las diversas teorías de cuerdas en un sólo marco, el Universo podría tener 11 dimensiones espacio-temporales. Así que si intentamos imaginar la forma del Universo lo más productivo que probablemente consigamos sea un buen dolor de cabeza.
Otra duda bastante común sobre la radiación de fondo de microondas es esta: Si la radiación de fondo son fotones y por lo tanto se mueven a la velocidad de la luz ¿cómo es posible que se les detecte hoy en día?¿No deberían haber pasado ya sobre nuestra posición? Para responder a estas preguntas debemos retroceder en el tiempo, exactamente hasta el momento en el que la fase de nucleosíntesis primordial llegó a su fin. Con este nombre tan esotérico nos referimos al proceso por el cual se formaron los primeros núcleos atómicos del Universo. Esto fue posible ya que la temperatura había descendido lo suficiente como para que el campo de radiación no impidiera la formación de dichos núcleos. Podemos imaginar el campo de radiación como una gran cantidad de fotones que inundaba todo el espacio. Tras este proceso el Universo estaba constituido por electrones, fotones, neutrinos y núcleos atómicos. Pero la temperatura seguía siendo lo suficientemente alta como para que los fotones que formaban el campo de radiación impidieran que esos núcleos capturaran a su alrededor electrones y formaran así los primeros átomos. No fue hasta unos 380000 años después del Big Bang cuando la temperatura descendió por debajo de los 4000K, en ese momento el Universo se había expandido lo suficiente como para que los fotones pudieran viajar sin encontrarse en su camino con otras partículas como los electrones y con los núcleos atómicos formados anteriormente. Es decir, el campo de radiación dejó de interaccionar con la materia y como consecuencia se formaron los primeros átomos del Universo y los fotones pudieron viajar libremente por él. Estos fotones que se encontraban presentes en todo el Universo pudieron propagarse en todas direcciones, es por eso por lo que miremos donde miremos nos encontramos con los fotones que forman la radiación de fondo. Es a esto a lo que se refieren los cosmólogos cuando dicen que el Universo se volvió transparente.
El estudio de la radiación de fondo nos permite conocer mejor, cómo es y ha sido nuestro Universo. Los datos aportados por el WMAP han permitido conocer, por ejemplo, la edad del Universo, la cual se ha cifrado en 13700 millones de años con un error del 1%, es la primera vez que se consigue semejante precisión. También se ha podido saber que las primeras estrellas empezaron a brillar cuando tan sólo habían pasado 200 millones de años desde el Big Bang. Estas cifras tan descomunales suelen escaparse a nuestra compresión, así que para entender si las primeras estrellas empezaron a brillar pronto o tarde realizaremos una conversión que nos permitirá entender mejor las escalas de tiempo. Imaginemos que el Universo en lugar de los 13700 millones de años de edad, tuviera sólo un año y que el momento actual, es decir hoy, es 31 de diciembre, entonces las primeras estrellas hubieran empezado a brillar el cinco de Enero, esto es prontísimo, mucho antes de lo que se e
speraba.
El estudio de la radiación de fondo también nos permite conocer la composición del Universo. La energía oscura no se sabe qué es, aunque parece ser la causante de que la expansión del Universo se esté acelerando. Con la materia oscura fría sucede lo mismo, no sabemos qué es, lo único qué sabemos de ella, es; que no es como la materia con la que estamos acostumbrados a tratar. Si sumamos los porcentajes, podemos observar que desconocemos de que está hecho el 95% del Universo. Fascinante, ¿existirán mundos hechos con esa materia oscura? ¿De donde sale esa enigmática energía oscura? Quien lo hubiera imaginado, en pleno siglo XXI y todavía tenemos un Universo por descubrir.
Corrían mediados de los años sesenta. Dos astrofísicos, Amo Penzias y Robert Wilson, habían pedido permiso a la Bell Telephone para usar una de sus antenas en su investigación. Los dos astrofísicos pretendían estudiar el ruido electromagnético en la región de las microondas proveniente de la galaxia con el fin de mejorar las comunicaciones espaciales. Debían realizar numerosas observaciones y después proceder a la interpretación de los datos obtenidos. Fue en esta última fase de su investigación donde se iban a tropezar con un hecho que estaba llamado a impactar con fuerza en la investigación cosmológica. Cuando Penzias y Wilson estudiaron sus observaciones se percataron que cuando su antena apuntaba hacia algún punto de la bóveda celeste fuera del plano de la galaxia su equipo registraba un débil ruido electromagnético. Daba igual en que dirección apuntara la antena. La pequeña y molesta señal siempre aparecía.
Después de darle muchas vueltas al asunto Penzias y Wilson decidieron que tenía que ser algún problema del equipo. Así que optaron por desmontar la antena para revisarla. Podemos imaginar lo aliviados que se quedaron al descubrir los restos de un pequeño nido que unas palomas habían decidido colocar en la antena. Era probable que esa fuera la fuente del problema, así pues quitaron el nido y limpiaron meticulosamente la antena. Volvieron a montar la antena y se dispusieron a realizar nuevas observaciones. Pero para su sorpresa e imaginamos que desagrado la débil señal seguía haciendo acto de presencia. Superada su estupefacción inicial decidieron revisar otra vez el equipo. Y encontraron que las palomas habían vuelto a hacer de las suyas. Esta vez no sólo limpiaron la antena sino que alejaron las palomas de la misma para asegurarse de que no volvieran. Una vez más, cuando todo parecía estar en perfectas condiciones tuvieron que observar que pese a todo, la débil señal seguía apareciendo, claro que ésta no iba a ser la única sorpresa ya que también observaron que las palomas habían vuelto a la antena. Penzias y Wilson imaginamos que un poco hartos de las palomas tomaron medidas drásticas. Eliminaron físicamente a las palomas. Con las palomas ya fuera de juego, se dispusieron a realizar sus observaciones y aunque les resultara difícil de creer, la señal, seguía estando ahí. Incapaces de explicar qué era lo que estaba sucediendo, hablaron con compañeros de profesión. Parecía que nadie iba poder explicar a qué era debido ese ruido electromagnético. Hasta que el astrónomo Bernard Burke les puso en contacto con Peebles, fue este astrofísico y su equipo los que explicaron que ese ruido que detectaban Penzias y Wilson era ni más, ni menos, que los restos, la huella dejada por una época temprana del Universo en la que éste era mucho más denso y caliente.
De esta forma tan accidenta
da, y si no, que se lo pregunten a las palomas, fue como se descubrió la denominada radiación de fondo de microondas. Desde entonces hasta nuestros días los equipos de observación de dicha radiación han ido mejorado, volviéndose cada vez más sensibles. Permitiéndonos así profundizar en su estudio. El último de estos fabulosos instrumentos es el satélite WMAP que son las siglas en ingles de Sonda Wilkinson de la anisotropía del fondo de microondas. El cual presenta una sensibilidad increíble, ya que es capaz de detectar variaciones de veinte millonésimas de grado con respecto a los 2,73 grados Kelvin de promedio o –270,42 en grados centígrados.Ahora hay que aclarar por qué se utilizan los grados kelvin o centígrados para hablar de la intensidad del fondo cósmico de microondas. Para ello hay que recurrir al concepto de cuerpo negro. Podemos describir de forma aproximada y esquemática un cuerpo negro como un objeto que absorbe toda la radiación electromagnética que incide en él, y al encontrase en equilibrio térmico luego emite toda esa energía. La cantidad de radiación emitida es proporcional a la temperatura a la que se encuentra dicho cuerpo. Así cuando leemos expre
siones como “la radiación de fondo de microondas tiene un valor promedio de 2,73K” lo que se está diciendo es que la radiación detecta es igual a la que emitiría un cuerpo negro a dicha temperatura.Los datos se presentan como se muestra en la imagen 1. Se utiliza un código de colores en el que normalmente el rojo corresponde a la mayor intensidad y el azul a la menor.
La imagen 1 muestra el resultado final de todas las observaciones. Pero para llegar hasta ahí, primero hay que eliminar el ruido que emite nuestra galaxia en las frecuencias de microondas. Recordemos que Penzias y Wilson encontraron la radiación de fondo cuando estaban estudiando la emisión en microondas de nuestra propia galaxia. La obtención final del fondo de radiación de microondas se obtiene combinando las observaciones realizadas a frecuencias de 33GHz, 23GHz, 95GHz, 61GHz y 41GHz.
Es fácil distinguir la contribución de nuestra galaxia, ya que esta aparece como una franja de color rojo que cruza la imagen entera, justo por el centro.
No obstante suelen surgir varias concepciones erróneas relacionadas con la radiación de fondo. La primera de ellas es que el Universo tuvo forma de huevo u ovalo. Es muy probable que esta idea surja de las imágenes que suelen salir en televisión cuando dan alguna noticia relacionada con observaciones astronómicas realizadas por algunos de los satélites que se dedican a ello. Estas imágenes, como las que hemos visto en este artículo suelen tener forma de ovalo. Pero esto no quiere decir que el Universo tuviera dicha forma. La forma de dichas imágenes es debida a una proyección. Los datos son tomados por satélites como el COBE o WMAP, en todas las direcciones. Si representáramos estos datos en tres dimensiones el conjunto de todos ellos tendría forma de esfera. Pero como es evidente, seria muy engorroso tener que trabajar con un objeto de tres dimensiones. Así pues surge la necesidad de presentar los datos obtenidos de tal forma que sea fácil trabajar con ellos. Para esto los representamos sobre hojas de papel o sobre la pantalla de un ordenador. En consecuencia tenemos que adaptar esos datos para representarlos en dos dimensiones. Al hacer esto, es decir, al representar algo que tiene tres dimensiones en un objeto de tan sólo dos, como por ejemplo un folio, la forma de la proyección no puede ser completamente fiel al original.
Esto es algo mu
y común, y que estamos acostumbrados a ver constantemente. El siguiente ejemplo aclarara esto. Piensen en un cubo regular. Lo característico de esta figura geométrica es que todas sus aristas forman noventa grados entre si, pero cuando dibujamos (proyectamos) la figura sobre una superficie plana (fig.1) como por ejemplo un folio o la pantalla de un ordenador, observamos que esto deja de cumplirse. La proyección no puede representar fielmente el original, esto es consecuencia de pasar un objeto de tres dimensiones a una representación del mismo en tan sólo dos. El Universo no tiene, ni tuvo esa forma de huevo, entonces, ¿qué forma tiene? ¿Podemos conocer dicha forma? Estas preguntas no tienen fácil respuestas, si la nueva teoría M es correcta, la cual une las diversas teorías de cuerdas en un sólo marco, el Universo podría tener 11 dimensiones espacio-temporales. Así que si intentamos imaginar la forma del Universo lo más productivo que probablemente consigamos sea un buen dolor de cabeza.Otra duda bastante común sobre la radiación de fondo de microondas es esta: Si la radiación de fondo son fotones y por lo tanto se mueven a la velocidad de la luz ¿cómo es posible que se les detecte hoy en día?¿No deberían haber pasado ya sobre nuestra posición? Para responder a estas preguntas debemos retroceder en el tiempo, exactamente hasta el momento en el que la fase de nucleosíntesis primordial llegó a su fin. Con este nombre tan esotérico nos referimos al proceso por el cual se formaron los primeros núcleos atómicos del Universo. Esto fue posible ya que la temperatura había descendido lo suficiente como para que el campo de radiación no impidiera la formación de dichos núcleos. Podemos imaginar el campo de radiación como una gran cantidad de fotones que inundaba todo el espacio. Tras este proceso el Universo estaba constituido por electrones, fotones, neutrinos y núcleos atómicos. Pero la temperatura seguía siendo lo suficientemente alta como para que los fotones que formaban el campo de radiación impidieran que esos núcleos capturaran a su alrededor electrones y formaran así los primeros átomos. No fue hasta unos 380000 años después del Big Bang cuando la temperatura descendió por debajo de los 4000K, en ese momento el Universo se había expandido lo suficiente como para que los fotones pudieran viajar sin encontrarse en su camino con otras partículas como los electrones y con los núcleos atómicos formados anteriormente. Es decir, el campo de radiación dejó de interaccionar con la materia y como consecuencia se formaron los primeros átomos del Universo y los fotones pudieron viajar libremente por él. Estos fotones que se encontraban presentes en todo el Universo pudieron propagarse en todas direcciones, es por eso por lo que miremos donde miremos nos encontramos con los fotones que forman la radiación de fondo. Es a esto a lo que se refieren los cosmólogos cuando dicen que el Universo se volvió transparente.
El estudio de la radiación de fondo nos permite conocer mejor, cómo es y ha sido nuestro Universo. Los datos aportados por el WMAP han permitido conocer, por ejemplo, la edad del Universo, la cual se ha cifrado en 13700 millones de años con un error del 1%, es la primera vez que se consigue semejante precisión. También se ha podido saber que las primeras estrellas empezaron a brillar cuando tan sólo habían pasado 200 millones de años desde el Big Bang. Estas cifras tan descomunales suelen escaparse a nuestra compresión, así que para entender si las primeras estrellas empezaron a brillar pronto o tarde realizaremos una conversión que nos permitirá entender mejor las escalas de tiempo. Imaginemos que el Universo en lugar de los 13700 millones de años de edad, tuviera sólo un año y que el momento actual, es decir hoy, es 31 de diciembre, entonces las primeras estrellas hubieran empezado a brillar el cinco de Enero, esto es prontísimo, mucho antes de lo que se e
speraba.El estudio de la radiación de fondo también nos permite conocer la composición del Universo. La energía oscura no se sabe qué es, aunque parece ser la causante de que la expansión del Universo se esté acelerando. Con la materia oscura fría sucede lo mismo, no sabemos qué es, lo único qué sabemos de ella, es; que no es como la materia con la que estamos acostumbrados a tratar. Si sumamos los porcentajes, podemos observar que desconocemos de que está hecho el 95% del Universo. Fascinante, ¿existirán mundos hechos con esa materia oscura? ¿De donde sale esa enigmática energía oscura? Quien lo hubiera imaginado, en pleno siglo XXI y todavía tenemos un Universo por descubrir.
Image Credits: NASA/WMAP Science team.
Animation Credit: NASA/WMAP Science team.
Ismael Pérez Fernández.
-Web oficial del proyecto WMAP: http://map.gsfc.nasa.gov/
-RUIZ DE COPEGUI, Luis. Rumbo al Cosmos. Madrid: Temas de hoy, 1999
-BENNET, Charles L., HINSHAW, Gary F. y PAGE, Lyman. Un cartógrafo cósmico. Temas
Investigación y Ciencia: Presente y futuro del cosmos, 2003, n.33 , p. 74-75
-HAWKING, Stephen. El Universo en una cáscara de nuez. Barcelona: Crítica, 2002
-GALADÍ-ENRÍQUEZ, David y GUTIÉRREZ CABELLO, Jordi. Astronomía General. Teórica y práctica. Barcelona: Omega, 2001.
Artículo muy completo y esclarecedor. Lleno de datos y referencias que "abren el apetito de conocer".
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