El Big Bang y el fondo c¨®smico de microondas

La radiaci¨®n del Fondo C¨®smico de Microondas ha jugado y sigue jugando un papel decisivo para entender nuestro universo. De acuerdo con el modelo est¨¢ndar del Big Bang, la edad de ¨¦ste es de unos 13.700 millones de a?os. En su pasado remoto pas¨® por un estado muy denso y caliente experimentando una r¨¢pida expansi¨®n. Estaba lleno de part¨ªculas elementales, incluyendo radiaci¨®n electromagn¨¦tica (como la luz visible), en continua interacci¨®n y distribuy¨¦ndose muy uniformemente por todo el espacio.

Unos 380.000 a?os despu¨¦s de la Gran Explosi¨®n [Big Bang] dicha radiaci¨®n se hab¨ªa enfriado debido a la expansi¨®n, hasta tal punto que ya no ten¨ªa suficiente energ¨ªa para ionizar los ¨¢tomos de hidr¨®geno. A partir de este momento la radiaci¨®n se separa del resto de las part¨ªculas pudi¨¦ndose mover libremente a trav¨¦s del universo. Esta radiaci¨®n, que podemos observar hoy en d¨ªa en el rango de las microondas, con una temperatura de unos 270 grados cent¨ªgrados bajo cero, y que contiene informaci¨®n muy valiosa de las ¨¦pocas m¨¢s tempranas del universo, es lo que se conoce como el Fondo C¨®smico de Microondas.

La radiaci¨®n de fondo tiene informaci¨®n muy valiosa de las ¨¦pocas tempranas del universo

El 'Planck' ser¨¢ el tercer sat¨¦lite destinado a observar la reliquia de la Gran Explosi¨®n

Antes de explicar m¨¢s detalladamente las implicaciones cosmol¨®gicas de los recientes hallazgos es interesante ponerlos en un contexto hist¨®rico. El descubrimiento de la propia existencia de la radiaci¨®n de fondo se produjo de forma casual en 1964 por dos ingenieros de los Laboratorios Bell de la compa?¨ªa telef¨®nica estadounidense ATT, mientras trataban de entender la fuente de un ruido que aparec¨ªa en sus receptores de radio (parad¨®jicamente el descubrimiento de este ruido les hizo tambi¨¦n merecedores del premio Nobel de F¨ªsica, en 1978).

El descubrimiento de esta radiaci¨®n, que hab¨ªa sido predicha te¨®ricamente a finales de los a?os cuarenta, implic¨® que la mayor parte de la comunidad cient¨ªfica aceptase el modelo del Big Bang en contraposici¨®n al entonces modelo competidor del estado estacionario (seg¨²n el cu¨¢l, el universo, aunque en expansi¨®n, manten¨ªa la misma apariencia debido a la formaci¨®n continua de nueva materia).

Si la mera detecci¨®n de la radiaci¨®n de fondo s¨®lo pudo realizarse casi 20 a?os despu¨¦s de su predicci¨®n te¨®rica dentro del modelo del Big Bang, debido a lo d¨¦bil de su se?al, la medida m¨¢s precisa de su distribuci¨®n energ¨¦tica tanto en longitudes de onda como espacialmente, result¨® un aut¨¦ntico reto para los astrof¨ªsicos.

La empresa era a¨²n m¨¢s complicada si tenemos en cuenta que la se?al cosmol¨®gica se mezclaba con otras emisiones astrof¨ªsicas, producidas por nuestra galaxia y por las dem¨¢s galaxias. Adem¨¢s, su observaci¨®n desde tierra estaba limitada a unas estrechas ventanas en el rango de las microondas ya que la atm¨®sfera emite y absorbe en dicho rango. Ello requer¨ªa buscar lugares extremadamente secos o, mejor a¨²n, montar experimentos a bordo de globos estratosf¨¦ricos o sat¨¦lites artificiales que evitaran totalmente la presencia atmosf¨¦rica.

A principios de los a?os noventa, dos instrumentos a bordo del sat¨¦lite COBE (siglas en ingl¨¦s de Explorador del Fondo C¨®smico) de la NASA dieron lugar a dos resultados claves que marcaron la cosmolog¨ªa actual: la distribuci¨®n de energ¨ªas en longitudes de onda de la radiaci¨®n del fondo c¨®smico correspond¨ªa a la de un cuerpo negro (cuerpo que absorbe toda la radiaci¨®n que le llega y emite con una distribuci¨®n caracter¨ªstica) a una temperatura de aproximadamente 270.37 grados bajo cero, y las anisotrop¨ªas (diferencias entre dos direcciones en el cielo) en la temperatura de dicha radiaci¨®n, que ten¨ªan una amplitud t¨ªpica de una parte en 100 mil, en escalas angulares de unos 10 grados.

El primer resultado, obtenido por el experimento FIRAS (Espectrofot¨®metro Absoluto del Infrarrojo Lejano) y cuyo investigador principal era John Mather, de la NASA, demostraba de forma inequ¨ªvoca que la radiaci¨®n c¨®smica proven¨ªa de un pasado denso y caliente del universo. El segundo, obtenido mediante el experimento DMR (Radi¨®metros de Microondas Diferenciales) y cuyo investigador principal era George Smoot, de la Universidad de California en Berkeley, establec¨ªa por primera vez la conexi¨®n entre las anisotrop¨ªas del fondo c¨®smico y la estructura a gran escala del universo.

En otras palabras, la huella de las semillas iniciales en la distribuci¨®n de materia, que dieron lugar por colapso gravitatorio a las estrellas, galaxias y aglomeraciones de galaxias (denominadas c¨²mulos y superc¨²mulos), estaba impresa en las anisotrop¨ªas de la radiaci¨®n de fondo como consecuencia de la interacci¨®n inicial en el plasma primigenio (y como a su vez predec¨ªa el modelo del Big Bang). Son estos resultados los que han hecho merecedores a ambos cient¨ªficos del premio Nobel de F¨ªsica de este a?o.

Recientemente varios experimentos (especialmente el sat¨¦lite WMAP de la NASA actualmente en operaci¨®n) han confirmado las observaciones de COBE-DMR, mejorando dichas medidas tanto en sensibilidad como en resoluci¨®n. Estos resultados en el campo del fondo de microondas se complementan muy bien con otras observaciones cosmol¨®gicas basadas en la distribuci¨®n a gran escala de las galaxias, o en la relaci¨®n magnitud-corrimiento al rojo de las supernovas, avalando conjuntamente el modelo est¨¢ndar de universo.

Este gran avance en nuestra observaci¨®n del universo ha sido s¨®lo posible por el r¨¢pido desarrollo de instrumentos muy sensibles a la radiaci¨®n, en todo el rango de longitudes de onda desde radio hasta Rayos X. Ello ha permitido, por un lado, verificar el modelo est¨¢ndar mediante observaciones cosmol¨®gicas totalmente independientes, y por otro, nuestra entrada en la que se ha denominado era de la cosmolog¨ªa de precisi¨®n.

Algunos miembros de la comunidad cient¨ªfica espa?ola, principalmente en el Instituto de Astrof¨ªsica de Canarias, las Universidades de Cantabria, Granada y Polit¨¦cnica de Catalu?a y el Instituto de F¨ªsica de Cantabria, seguimos los pasos de COBE con nuestra participaci¨®n en la construcci¨®n de dos experimentos del futuro sat¨¦lite del programa cient¨ªfico de la Agencia Europea del Espacio (ESA), Planck, que ser¨¢ lanzado en 2008. En esta futura misi¨®n estamos trabando junto con Smoot, entre otros cient¨ªficos europeos y estadounidenses.

El Planck ser¨¢ el tercer sat¨¦lite destinado a la observaci¨®n del fondo c¨®smico, y realizar¨¢ una medida casi perfecta de las anisotrop¨ªas en la temperatura, reduciendo unas 10 veces los errores actuales en los par¨¢metros cosmol¨®gicos que caracterizan el universo. Adem¨¢s tambi¨¦n medir¨¢ las anisotrop¨ªas en la polarizaci¨®n (propiedad de las ondas electromagn¨¦ticas por la que, por ejemplo, las gafas de sol no dejan pasar la luz ultravioleta) del fondo de radiaci¨®n que constituye una huella ¨²nica de la presencia de ondas gravitatorias en los primeros instantes del universo. Qui¨¦n sabe si ¨¦ste u otros futuros sat¨¦lites actualmente en estudio conseguir¨¢n hitos similares en nuestro conocimiento del universo, desvelando los dem¨¢s secretos que esta radiaci¨®n todav¨ªa esconde.

Enrique Mart¨ªnez Gonz¨¢lez es investigador del Instituto de F¨ªsica de Cantabria (CSIC-Universidad de Cantabria).