El origen y destino del universo

Hace unos d¨ªas, el 16 de marzo, cient¨ªficos de instituciones estadounidenses y canadienses presentaron nuevos datos del sat¨¦lite de la NASA denominado Wmap (Wilkinson Map Anisotropy Probe o Sonda del Mapa de Anisotrop¨ªa Wilkinson). El nombre es en honor del gran astrof¨ªsico de Princeton y pionero en el estudio del fondo de microondas, David Wilkinson, fallecido en 2002.

Desde Junio de 2001, Wmap se encuentra situado en uno de los puntos de Lagrange del sistema gravitatorio Tierra-Sol, a un mill¨®n y medio de kil¨®metros de la Tierra en la posici¨®n m¨¢s alejada del Sol; un ambiente excepcionalmente estable para observar. Wmap consiste en dos telescopios que enfocan dos puntos del cielo separados 140 grados aproximadamente en 10 radi¨®metros diferenciales. Observa un 30% del cielo cada d¨ªa, todo el cielo cada seis meses, en cinco regiones separadas de frecuencia entre los 22 y los 90 gigahercios (miles de millones de ciclos por segundo).

S¨®lo el 4% de la energ¨ªa corresponde a los ¨¢tomos que forman el universo visible

Wmap nos ha proporcionado la fotograf¨ªa m¨¢s detallada del Universo cuando ¨¦ste contaba tan s¨®lo con unos 400.000 a?os frente a los actuales 14.000 millones de a?os, un reci¨¦n nacido de horas comparado con un adulto de 50 a?os. El Universo era mucho m¨¢s simple, no exist¨ªan galaxias ni ning¨²n otro tipo de estructuras. Analizar los detalles de esta fotograf¨ªa permite a los cient¨ªficos determinar el contenido del Universo, comprender el origen de la formaci¨®n de galaxias y comenzar a comprobar las teor¨ªas que describen lo que ocurri¨® en los primeros instantes de la evoluci¨®n del Universo.

Uno de los m¨¢s importantes resultados cient¨ªficos del siglo XX es la observaci¨®n de que el Universo se expande. El Universo fue m¨¢s peque?o y m¨¢s caliente cuando era m¨¢s joven. Cuando el Universo visible era s¨®lo una cienmillon¨¦sima del tama?o actual y la temperatura era comparable a la del interior de las estrellas, la materia conocida estaba en forma de protones y otros n¨²cleos ligeros, electrones, y fotones (radiaci¨®n). En tales condiciones, la radiaci¨®n interacciona con las part¨ªculas m¨²ltiples veces, de modo que el medio es opaco a la radiaci¨®n. Un ejemplo ilustrativo es el de la luz del Sol al pasar por una nube opaca: la luz queda atrapada en las m¨²ltiples interacciones con las peque?as gotas de agua. La frecuencia de la radiaci¨®n est¨¢ caracterizada por la temperatura del medio. El continuo enfriamiento debido a la expansi¨®n permiti¨® que los primeros ¨¢tomos de hidr¨®geno se formaran por combinaci¨®n de protones y electrones. El universo se hizo transparente a la radiaci¨®n, que escap¨® hasta nosotros despu¨¦s de la ¨²ltima colisi¨®n. Desde entonces, la radiaci¨®n se ha enfriado, esto es, su frecuencia se ha reducido por efecto de la expansi¨®n del universo, un an¨¢logo al cambio de tono cuando un objeto sonoro se mueve respecto a nosotros. En 1992, el espectrofot¨®metro en el sat¨¦lite Cobe (Cosmic Background Explorer o Explorador del Fondo C¨®smico) de la NASA, midi¨® el espectro de la radiaci¨®n y comprob¨® que era t¨¦rmico, tal y como predice la Teor¨ªa del Big Bang.

George Gamow fue el primero en predecir la existencia de esta radiaci¨®n. Su detecci¨®n es un bello ejemplo en la historia del descubrimiento cient¨ªfico. En 1965, Penzias y Wilson observaron un exceso de ruido en los receptores de radio que estaban construyendo en los Laboratorios Bell en Nueva Jersey. Ciertamente, no era la primera vez que tal ruido aparec¨ªa, pero estos investigadores, con sus receptores m¨¢s desarrollados, caracterizaron las propiedades de esta radiaci¨®n. Dicke, Peebles, Roll, y Wilkinson, en la Universidad de Princeton, estaban dise?ando el experimento de detecci¨®n de la radiaci¨®n de fondo cuando recibieron las noticias del descubrimiento de Penzias y Wilson. Inmediatamente, concluyeron que el ruido electromagn¨¦tico estudiado por sus colegas era el fondo de radiaci¨®n c¨®smico que ellos buscaban. Penzias y Wilson compartieron el premio Nobel de F¨ªsica de 1978 por su descubrimiento.

En 1992, Cobe observ¨® por primera vez que, aunque el fondo de radiaci¨®n es muy uniforme, hay peque?as fluctuaciones en la temperatura de la radiaci¨®n, cambios de unas partes en un mill¨®n. Wmap da un paso de gigante en la comprensi¨®n del Universo al medir nuevos detalles en la estructura de las fluctuaciones debido a una mejor resoluci¨®n angular que Cobe. En 2003, Wmap present¨® sus primeros resultados con un a?o de observaci¨®n. Ahora, Wmap aumenta la calidad de la fotograf¨ªa, mostr¨¢ndonos con mayor fiabilidad el contenido energ¨¦tico del Universo: s¨®lo el 4% corresponde a los ¨¢tomos que forman el universo visible; el 22 % corresponde a una forma de materia diferente que no emite o absorbe luz y que denominamos materia oscura; el resto, diferente de cualquier tipo de materia, nombrada energ¨ªa oscura, act¨²a acelerando la actual expansi¨®n del Adem¨¢s de determinar la amplitud de las fluctuaciones de la temperatura, Wmap ha medido la direcci¨®n de la polarizaci¨®n de la radiaci¨®n de fondo. La polarizaci¨®n de la radiaci¨®n se debe a la interacci¨®n de ¨¦sta con la distribuci¨®n de electrones libres. Esta nueva informaci¨®n en la fotograf¨ªa es esencial para determinar cu¨¢ndo el Universo se volvi¨® a ionizar y se formaron las primeras estrellas.

Es importante se?alar que no s¨®lo podemos comprender que ocurre en el Universo a partir de su edad temprana revelada en la fotograf¨ªa de Wmap. Hoy los cient¨ªficos creemos que es posible discernir lo que ocurri¨® en la primera fracci¨®n de segundo. Las fluctuaciones en la temperatura son debidas a las variaciones en la densidad de materia en el universo joven, una especie de memoria f¨®sil de lo que ocurri¨® en el primer instante. M¨¢s a¨²n, Wmap ha mostrado que est¨¢ a nuestro alcance medir la polarizaci¨®n de la radiaci¨®n debida al medio ionizado cuando el universo liber¨® la radiaci¨®n. Est¨¢ a nuestro alcance demostrar si el Universo se triplic¨® unas 60 veces en una fracci¨®n de segundo, durante el periodo que se denomina inflaci¨®n.

Carlos Pe?a Garay es f¨ªsico de astropart¨ªculas en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton (EE UU).