¿Qué se escondía entre las estrellas ? El espacio y sus orígenes fascinan la investigación y el estudio de los mecanismos físicos que han formado y harán evolucionar le universo es una disciplina de la astronomía de pleno derecho : la cosmología.

Hoy en día, el consenso científico acepta el “modelo estándar de la cosmología” (alias el Big Bang) como origen del cosmos. Durante mucho tiempo, este modelo fue opuesto al de un espacio estacionario. La validación de la teoría del Big Bang fue en gran parte posible gracias al descubrimiento, en 1965, de una radiación electromagnética casi igual de viejo que el Big Bang mismo, esta señal será llamada más tarde el fondo difuso cosmológico.

Desde 1930, Georges Lemaître, astrofísico y sacerdote belga, propone el modelo del átomo primitivo como origen del universo. Según Lemaître, “el universo habría empezado en el estado donde la energía total estaba concentrado en un solo quántum” (quántum: partícula primordial de la materia). Estos escritos son los primeros esbozos del modelo estándar de cosmología. Dimanan de precedentes investigaciones de Lemaître, que buscaban caracterizar el comportamiento del espacio utilizando la posición y el desplazamiento de las galaxias. Sus conclusiones describen un espacio en expansión que se alarga con el tiempo.

Georges Lemaître, circa 1930 (Fuente : Wiki Commons)

Estas conclusiones reciben una fuerte oposición de los defensores de la teoría de un espacio estacionario. En aquel entonces, un universo en expansión da a entender un principio, un « nacimiento » que se acerca a la idea de una intervención divina. Un espacio estacionario era considerado como un modelo más racional. Para enterrar el debate, había que encontrar pruebas del Big Bang, señales observables.

Esta ilustración muestra de manera simplificada la evolución de una « loncha » de espacio. (Fuente : Wikicommons)

En 1964, en el New Jersey, dos físicos de los laboratorios Bell, Arno Penzias y Robert Wilson, construyen una antena de 6 metros de altura con el fin de poder probar la comunicación de los satélites. A pesar de sus precauciones, una señal parásita persiste. Difícil evitarla porque esta emitida en todas las direcciones del espacio (isótropo), cualquier sea el día o el momento del día.

Robert Wilson, a la izquierda, y Arno Penzias la antena de los Bell Labs en Crawford Hill, N.J. (Fuente : Wikicommons)

Aún no lo saben, pero lo que consideran como un defecto de medida es en realidad el fondo difuso cosmológico (Cosmic Microwave Backgroung o CMB en inglés), la pieza que falta para demostrar la validez del Big Bang. Es importante precisar que, durante la primera mitad del siglo XX, numerosos físicos habían predicho el descubrimiento de esta radiación fósil, proviniendo de los primeros instantes del Big Bang y que viajaba desde entonces a través del cosmos.

El CMB grabado por Penzias y Wilson emite en el ámbito de las micro-ondas. Las ondas electromagnéticas se dividen en varios ámbitos, en función de su longitud de onda. La longitud de onda corresponde a la distancia entre dos máxima idénticas de una señal electromagnética. Para las micro-ondas, esta distancia incluida entre 2 mm y 30 cm.

Ejemplos de dos tipos de ondas con su longitud de onda (Esquema realizado por A. Herrmann)

También es posible calcular la temperatura de radiación con la ley de Planck^1. Los cálculos de Wilson y Penzias la han medido a 3.5K, un valor que confirma las predicciones de los físicos defensores del Big Bang. Este descubrimiento fortuito, les valdrá un Premio Nobel en 1978!

Después de un encuentro entre los ingenieros de Bell y los dos investigadores de Princeton, Robert Dicke y James Peebles, dos artíclos fueron publicados en el mismo numero de Astrophysical Journal. El primero firmado por Penzias y Wilson, describe el descubrimiento, y el segundo firmado por Dicke y Peebles, explica el vinculo entre el fondo difuso cosmologico y el Big Bang.

En realidad, el fondo difuso cosmológico nace 380 000 años después del Big Bang. En este periodo, llamado la recombinación, el universo se expande y se enfría hasta alcanzar alrededor de 3000 Kelvin. En esas condiciones, los electrones, cargados negativamente, se acoplan con protones, cargados positivamente, con el fin de desarrollar hidrógeno.

Comparación esquemática de átomos de hidrógeno y de helio (Fuente : Wikimedia Commons)

Antes de esta fecha, la temperatura esta demasiado elevada y perturbaba sin parar esta unión. El universo no era más que un plasma de partículas incapaces de quedar vinculadas mucho tiempo. Después de la recombinación, el universo se hace transparente y los fotones proviniendo del Big Bang pueden circular libremente.

Big Bang Theory, Pixabay, Wikimedia, Teresa Gonzalez

Los fotones son partículas elementales de energía que componen las radiaciones electromagnéticas (Rayos X, micro-ondas, luz...). Con el fin de figurarse su doble naturaleza onda-corpúsculo, se puede comparar el fotón con un cilindro. Cuando se observa de lado, se ve un rectángulo, pero de fuente, se ve un círculo.

Esas partículas son capaces de interactuar con uno de los constituyentes de la materia: los electrones libres. Durante la colisión entre un electrón libre y un fotón, un fenómeno llamado la difusión de Compton se produce.

La difusión de Compton (Esquema hecho por A. Herrmann)

Sin embargo, durante la recombinación, se crean átomos de hidrógeno y los electrones ya no son libres. En esas condiciones, los fotones pueden ponerse a viajar a través del cosmos sin rebotar de un electrón a otro.

A la izquierda : antes de la recombinación, los fotones (en amarillo) rebotan sobre los electrones (en gris). A la derecha : después de la recombinación, los fotones ya no pueden interactuar con los electrones que se han acoplado con los protones (en rojo). (Fuente : Write Science)

Son esos primeros fotones de todos, verdaderas reliquias del Big Bang, que constituyen la radiación fósil (el apodo del fondo difuso cosmológico), esa señal electromagnética es casi homogénea en todo el universo.

Pero el CMB no es tan solo un vestigio del pasado, también tiene un papel fundamental en nuestra comprensión del cosmos hoy en día. Unos investigadores han construido el espectro electromagnético del CMB (véase a continuación) y a día de hoy, el CMB presenta el espectro electrónico el más cercano al de un cuerpo negro perfecto. Un cuerpo negro es un objeto que absorbe todas las radiaciones electromagnéticas de su alrededor. Luego de esa absorción, emite un calor bajo forma de radiación térmica.

Espectro electromagnético del fondo difuso cosmológico (Fuente : Wikimedia Commons)

Los avances tecnológicos han permitido fijar con precisión la temperatura de CMB a 2,728 ± 0,002 K. El fondo difuso cosmológico es entonces una radiación térmica cuyo cuerpo negro emisor seria la materia de origen cosmológica al centro del universo. Este valor de temperatura, mucho mas elevada en el momento de la recombinación sigue disminuyendo con el tiempo. En el futuro, se puede esperar que la señal del CMB acabe siendo confundida en el océano de señales cósmicas.

Los investigadores se han interesados por las ínfimas variaciones térmicas (anisotropías) del CMB. Una vez puesta en imagen, esas fluctuaciones desvelan el mapa mas viejo del universo. Una instantánea capturada por el flash de la radiación fósil en el momento de su nacimiento.

Mapa del universo primordial capturada por los satélites COBE, WMAP y Planck. (Credits : Brian Koberlein)

¹.

Fuentes :

1. R. Brandenberger, Formation of Structure in the Universe, 1995

2. C. Caso et al . (Particle Data Group), The European Physical Journal C3, 1998

3. Dicke, R. H. ; Peebles, P. J. E.Roll, P. G. Wilkinson, D. T., Cosmic Black-Body Radiation, 1965

4. F. Durham, Frame of the universe : a history of physical cosmology, 1983

5. D. J. Fixsen, The temperature of the Cosmic Microwave Background, 2009

6. M. Lachièze-Rey et E. Gunzig, Le Rayonnement cosmologique : Trace de l'Univers primordial, 1995

7. G. Lemaître, La hipotésis de el átomo primitivo, 1930

8. S. Weinberg, The first three minutes, A modern view of the origins of the Universe, 1993

9. M. White, Anisotropies in the CMB, 1999

10. https://www.nature.com/articles/d41586-018-05788-5

11. https://lejournal.cnrs.fr/videos/planck-livre-une-nouvelle-carte-de-lunivers

12. https://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/astronomie-rayonnement-fossile-cle-cosmologie-1085/

13. Blue and Brown Milky Way Galaxy, Photo by Miriam Espacio from Pexels

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Una reliquia del Big Bang : el fondo difuso cosmológico