Los tres primeros minutos del Universo (II)

Dado que empezó hace poco el año internacional de la astronomía, me propongo darle al tema un poco más de espacio entre los posts. Comienzo retomando la ambiciosa serie que cubre los contenidos del libro "Los tres primeros minutos del Universo" de Steven Weinberg, y que comencé con el capítulo acerca de la Ley de Hubble y la expansión del Universo.

Debo reconocer que el libro es un poco vueltero. En el sentido de que no ofrece una divulgación clara y directa. Pero su "jugo" está precisamente en la exploración histórica y en la explicación de los diferentes planteos, los trabajos, los personajes que forjaron desde sus bases el modelo cosmológico del Big Bang. En ese sentido me hizo recordar al excelentísimo libro biográfico "Los Sonámbulos" de Arthur Koestler (recomendación de Juancho) que leí hace ya un buen tiempo.

Esta pequeña introducción viene a cuento de la interesantísima explicación sobre el descubrimiento accidental de uno de los hitos más importantes del siglo XX en cosmología: el fondo de radiación de microondas, del que les ofrezco un muy condensado resumen.

En 1964, dos radioastrónomos, Arno Penzias y Robert Wilson, se encontraban trabajando con una antena de radio de la Bell Telephone en New Jersey. Su objetivo era utilizar la antena para explorar las emisiones de radio emitidas por la galaxia, específicamente en zonas alejadas del plano galáctico.


Comenzaron por una verificación de ruidos, para lo cual observaron en una longitud de onda relativamente corta, 7,35cm. Este "trabajo previo" los terminaría por llevar a un descubrimiento mucho más importante de lo que se podían imaginar. Porque, en definitiva, eliminando ruidos atmosféricos conocidos, les quedaba siempre un nivel de ruido importante, mayor al que preveian. Este ruido parecía venir de todas direcciones, sin variación durante el día o época del año.

Penzias y Wilson se esforzaron bastante en cerciorarse que el ruido no era una error de medición. Transcribo la parte siguiente del libro, que se va de lo estrictamente cosmológico, pero me encanta:

En particular, se sabía que un par de palomas habían estado posándose en el cuello de la antena. Las palomas fueron atrapadas, enviadas a los Laboratorios Bell en Whippany, liberadas, halladas nuevamente en la antena de Homdel unos días más tarde, atrapadas nuevamente y por último disuadidas por medios más decisivos. Pero en el curso de su permanencia las palomas habían cubierto el cuello de la antena con lo que Penzias llamaba delicadamente "un material dieléctrico blanco"...

En definitiva, aún después de haber limpiado cagada de palomas, el ruido de fondo persistía. Hallaron que la temperatura equivalente del ruido que recibían era de unos 3,5ºK. Contactos con diversos cosmólogos permitieron explorar prontamente posibles explicaciones cosmológicas del ruido. De todas formas, cuando publicaron en 1965 en Astrophysical Journal el hallazgo de una de las piezas fundamentales de la cosmología moderna, lo hicieron con el cauteloso y nada prometedor título de: A. A. Penzias and R. W. Wilson, "A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s,".

Afortunadamente, una aproximación teórica al fenómeno se publicó en el mismo número: R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll and D. T. Wilkinson, "Cosmic Black-Body Radiation." Aunque trabajos previos habían postulado la existencia de un fondo de radiación no fue sino hasta el impulso de su descubrimiento que se discutió el tema a fondo y tomo relevancia.

En definitiva, se fue comprobando que la intensidad del ruido en distintas longitudes de onda se correspondia casi perfectamente con las de un cuerpo negro, es decir, seguía la ley de Plank.

La intensidad del fondo de microondas acorde con las mediciones del satélite COBE.

La importancia radicaba en que el ruido se explicaba como un vestigio de una época primigenia, una radiación residual. En su momento el Universo había sido tan caliente que radiación y materia se encontraban en equilibrio térmico. La presencia de radiación explicaba por que la materia no había formado inicialmente mayor cantidad de elementos más pesados que el hidrógeno. En determinado momento la temperatura del Universo bajó lo suficiente como para que el equilibrio entre radiación y materia se rompiera ("La materia se hizo transparente para la radiación"). Esa radiación se conservó hasta hoy casi intacta, reduciéndose únicamente su temperatura siguiendo leyes físicas, tal como se comportaría un cuerpo negro en expansión. Reflejaba, en definitiva, la expansión del Universo.

En 2003 el WMAP mapeo todo el cielo en busca de pequeñísimas anisotropías en el fondo de microondas (una parte en 10^5) .
Esto dio pie a desarrollos teóricos recientes, posteriores desde luego al libro.

Mi explicación anterior es una reformulación libre basada en la de Weinberg. Para los que milagrosamente aún tengan ganas de más, me despido dejándolos con la explicación original, los párrafos más importantes del capítulo:

Hemos visto que tuvo que haber un tiempo en el que el Universo estaba tan caliente y denso que los átomos tenían sus núcleos y electrones disociados, y la dispersión de fotones por electrones libres mantenía un equilibrio térmico entre la materia y la radiación. A medida que pasó el tiempo, el Universo se expandió y se enfrió, llagando con el tiempo a una temperatura (de unos 3.000ºK) suficientemente baja como para permitir la combinación de núcleos y electrones en átomos (...) La repentina desaparición de electrones libres rompió el contacto térmico entre la radiación y la materia, y la radiación continuó en lo sucesivo expandiéndose libremente.

En el momento en que ocurrió esto, la energía en el campo de radiación estaba gobernada por las condiciones del equilibrio térmico, y por ende dada por la fórmula del cuerpo negro de Plank para una temperatura igual a la de la materia, es decir, unos 3.000ºK. (...)

¿Qué ha ocurrido con los fotones desde entonces? No se crearon ni se destruyeron fotones individuales, de modo que la distancia media entre fotones sencillamente aumentó en proporción al tamaño del Universo (...) Podemos demostrar que la radiación que llena el Universo seguiría viniendo descrita exactamente por la fórmula de Planck para el cuerpo negro a medida que aquél se expandiese, aunque ya no estuviera en equilibrio térmico con la materia. El único efecto de la expansión es aumentar la longitud de onda típica de los fotones en proporción al tamaño del Universo. La temperatura de la radiación de cuerpo negro es inversamente proporcional a la longitud de onda típica, de modo que disminuiría a medida que el Universo se expandió, en proporción inversa al tamaño del Universo.