Un cielo que es igual mires donde mires… no, pero casi


Continuamos con nuestra incursión en el tema de la radiación cósmica de fondo. En las siguientes entradas vamos a intentar responder las siguiente preguntas:

¿Qué es esa radiación?

¿De dónde procede?

¿Qué información podemos obtener de ella?

En esta entrada nos concentraremos en saber de dónde sale esta radiación y qué aspecto tiene.

Non plus ultra

 Cuando miramos un objeto en realidad lo vemos como era en el pasado. Esto es así porque la luz tiene una velocidad finita y tarda cierto tiempo en llegar a nosotros.  El sol que vemos es el sol hace 8 minutos aproximadamente.  Así pues, en el contexto cosmológico, mirar más lejos implica ver al universo más joven.

Siguiendo esta lógica uno podría pensar que podríamos ver el big bang si tuvieramos la forma de mirar tan lejos que viéramos la luz que emergió en el primer instante.  Sin embargo, esto no es posible. La razón es la siguiente.

En el universo llegó un momento donde se crearon los núcleos de los elementos ligeros (Hidrógeno, Helio, Deuterio, Tritio, Litio, etc) y había, entre otras cosas electrones por ahí pululando.  Además teníamos fotones.  Pero la energía de estas cosas era muy alta y suponía que los fotones al colisionar entre sí formaban pares de partícula-antipartícula, así cómo impedían que los electrones y los núcleos formaran átomos dado que cuando un núcleo capturaba un electrón llegaba un fotón energético y volvía a ionizar el sistema formado.

Así, si pudiéramos seguir la pista a un fotón podríamos interpretar que este era absorbido y reemitido muchas veces, cambiando continuamente su dirección (evidentemente esto es idealizando la cosa). A esto los físicos lo llaman dispersión (scattering).  En esta situación los fotones no se podían propagar libremente así que el universo se considera opaco.

Pues bien, dado que el universo se expandía, y con ello bajaba su temperatura y por tanto la energía de los sistemas que contenía.  Llegó un momento en que los fotones perdieron la capacidad de ionizar los átomos que se formaban y  a partir de ahí se propagan en línea recta desde todas direcciones hasta nosotros (o hasta cualquier otro punto del universo, no estamos en el centro, lo que pasa es que esto ocurría en todos los puntos a la vez). En ese momento se produce lo que se denomina superficie de última dispersión (scattering).  Una imagen simplificada de esto se puede ver en la siguiente figura:

Imagen simplificada de la superficie de última dispersión para un observador situado en su centro.

Así, cuando miramos al universo en su juventud esta superficie de última dispersión es el límite al que podemos observarlo (con fotones). Pero lo sorprendente es que en la radiación que nos llega desde esta superficie de última dispersión está escrita (de una manera un tanto escondida) parte de la historia y características de cómo empezó el universo.

¿Qué es la radiación cósmica de fondo?

Son esos fotones que han superado la barrera de última dispersión que nos llegan a nosotros.  Cuando salieron de la barrera sus longitudes de onda estaban en el rango de la radiación visible.  Pero como el universo se está expandiendo esta expansión provoca un alargamiento en sus longitudes de onda y en la actualidad nos llegan en forma de microondas (las longitudes de onda van de los milímetros a los centímetros).  La temperatura de ese “gas” de radiación es de 2.7 Kelvin aproximadamente.

La radiación cósmica de fondo tiene unas longitudes de onda comparables a las de la antigua televisión. Una proporción de 1/3 a 1/4 de las manchas de una televisión antigua desintonizada (pantalla sólo de ruido estático) estaban generandas por la radiación cósmica de fondo.

Como hemos dicho, en el momento de salir los fotones por la superficie de última dispersión tenían una temperatura de alrededor de 3000K. Dado que el universo se ha expandido un factor mil desde entonces lo que tenemos ahora es una temperatura de 3K. Esto es debido por el corrimiento al rojo. Y es lo que está representado en esta figura:

¿Os suena esa forma de la gráfica?  En efecto, el universo es el mejor cuerpo negro que tenemos a nuestra disposición.

De hecho las medidas de la radiación cósmica de fondo comparadas con un cuerpo negro teórico de su misma temperatura arrojan este resultado:

Datos observados en distintos experimentos sobre la linea teórica del cuerpo negro. Bastante bien ¿no?

¿Cómo es la radiación cósmica de fondo?

Si tuviéramos la capacidad de ver la radiación cósmica de fondo veríamos algo así:

La radiación cósmica de fondo es homogénea. No vemos distinciones entre distintos puntos en distintas direcciones del cielo.

Es decir, que desde todas las direcciones veríamos algo homogéneo (del mismo color) con radiación con la misma longitud de onda llegándonos desde todos los puntos.  Esta es una confirmación muy fuerte del principio cosmológico que nos dice que el universo es esencialmente homogéneo e isótropo. Bajo este supuesto se han construido la mayoría de los modelos cosmológicos que tenemos a nuestra disposición.

Sin embargo, esto no es del todo cierto, y es justo aquí donde empiezan las sorpresas.

Mirando el cielo con los ojos entornados

Hoy día disponemos de muchos datos de aparatos que han sido diseñados para estudiar cada vez con más capacidad la radiación cósmica de fondo. Los ejemplos son COBE, WMAP, PLANCK, etc.  Sin entrar en los detalles técnicos de cada uno de estos experimentos, por otro lado muy interesante, lo que se encuentra en la radiación cósmica de fondo es:

–  Si nuestro aparato sólo capta la frecuencia del pico del cuerpo negro veríamos lo mostrado en la figura anterior.

– Lo que se encuentra es en realidad:

Hay una parte más caliente y otra menos. Adiós a la homogeneidad… ¿o no?

La respuesta a esa pregunta es no. Recordemos que nosotros estamos en la tierra que se mueve alrededor del sol, y todo el sistema solar se mueve respecto de la materia distante.  Así que es lógico que por efecto Doppler veamos longitudes de onda más corta en el sentido de movimiento y más largas en el sentido opuesto. Si uno resta esta contribución (que es perfectamente calculable) obtiene:

 Diantres, hay una fea línea roja ahí con radiación más caliente… ¿? Pero un momento, nosotros estamos en la Vía Láctea, y ahí hay cosas que están emitiendo:

De hecho se puede medir cuanto emite la Vía Láctea en el rango de las microondas:

 Si ahora sustraemos esta emisión de microondas por parte de nuestra galaxia del espectro total de microondas que recibimos, obtenemos la radiación cósmica de fondo:

La radiación cósmica de fondo dada por dos experimentos. En la parte superior los resultados de COBE y en parte inferior los resultados de WMAP (mucho más refinados). Se observa como hay puntos más calientes (verde) que otros (azu, amarillo, rojol)

 Así que al final obtenemos algo que en promedio tiene una temperatura de 2.7K aproximadamente pero con ligeras desviaciones en distintos lugares.  Sin embargo, estas variaciones son en 1 parte en 100000. No es mucho, pero son fundamentales.

Estas variaciones son las huellas dactilares de la historia de nuestro universo. Las variaciones de temperatura en el espectro de microondas de la radiación de fondo es el libro donde podemos leer la historia del universo. Estas fluctuaciones de temperatura vinieron originadas por fluctuaciones cuánticas del universo primitivo y son las semillas para la formación de la estructura a gran escala del universo que habitamos.

Seguiremos con esto más adelante, ahora es mejor tomar un descanso.

Nos seguimos leyendo…

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10 Respuestas a “Un cielo que es igual mires donde mires… no, pero casi

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  4. No se trata de mi opinión, si así fuera, no tendría importancia.

    Que el “mundo” esté equivocado, no será la primera ni la última vez.

    Para no entrar en detalles (aunque no te gusten las citas), creo no tener la autoridad y conocimiento bibliográfico del autor de este artículo:
    http://www.visionjournal.es/visionmedia/article.aspx?id=4164
    Que sólo pongo un párrafo: “… esta radiación del fondo no es producto de un solo suceso, sino un derivado de la continua creación de átomos nuevos dentro de las estrellas. El trabajo de McKellar, argumentó Burbidge, es importante debido a que corresponde a la realidad y se realizó sin basarse en el big bang, mientras que el equipo de Gamow creó parámetros que harían funcionar una gran explosión. ‘En realidad no se utilizó ninguna predicción’, escribió Burbidge. ‘No obstante, el efecto psicológico cimentado en ideas erróneas relacionadas con la predicción y el descubrimiento [de la CMB] es una de las razones más importantes por las cuales muchos creen en el big bang’.”

    • Las evidencias del big bang no se fundamentan únicamente en la radiación cósmica de fondo. Esta es una más de las múltiples pruebas que se han puesto encima de la mesa por parte del modelo y que luego han sido confirmadas por la experimentación. Lo que dicen en el artículo que enlazas simplemente no tiene sentido.

      • Oscar Roberto e

        Indudablemente los argumentos son varios, pero también hay quienes los invalidan.
        De ninguna manera es mi (única) opinión, sino de una pléyade de personas que desde sus opiniones (no es fácil hablar contra lo popularmente aceptado); así el Prof. Fernández (docente de la Universidad Tecnológica, Buenos Aires), o Martín López Corredoira (Instituto de Astrofísica de Canarias), etc. (que podría citar sus argumentos).

        Un argumento que no puedo entender es: ¿Cómo es posible entender que el horizonte del efecto Doppler, llegue a ser el comienzo? Basta pensar en un agujero negro (efecto Doppler), donde el horizonte es el límite de lo visible, donde la luz pierde su energía (no sigue en microondas).
        Honestamente, me resulta sorprendente, que personas inteligente, lo presenten como argumento de comienzo (o pensar que no hay nada después del horizonte).

  5. La ciencia como amor a la ciencia (filosofía): “El filósofo debe ser un hombre dispuesto a escuchar todas las sugerencias, pero determinado a juzgar por sí mismo. No debe dejarse influir por las apariencias; no debe de tener hipótesis favorita alguna; no pertenecer a escuela alguna; en doctrina, no poseer maestro alguno. No debe aceptar criterios de autoridad, sino de realidad. La verdad debe ser su objetivo primario. Si a estas cualidades se agrega la laboriosidad, puede en verdad aspirar a hablar dentro del templo de la naturaleza.”
    MICHAEL FARADAY.

    Cuando se observa las microondas de acuerdo a esa imagen de “dipolo” con una “z”, es causado por la velocidad del sistema solar.
    Así con mayor resolución, es donde la mayor parte de las microondas vienen de la Vía Láctea (nuestra galaxia), que nada tiene de fondo. El origen de esta radiación, nada tiene que ver con comienzo del Big Bang.

    Mi pregunta es: ¿Porqué la otra sí? Sino de la simple emisión de otras galaxias semejantes a las nuestras, Qué razón científica hay.

    Por otro lado, el descubrimiento de la causa de la emisión, nada tiene que ver con predicción, como se la “vende”. Seamos honestos como científicos, no engañemos a la gente con fantasías.

    • El origen de esta radiación está claramente asociado a la evolución térmica del universo, como explicamos en la entrada de la historia térmica del mismo. Es decir, que el modelo predice claramente que tiene que existir una superficie de última dispersión y unos fotones que nos llegan de todos lados con una temperatura determinada. Luego vamos nosotros medimos y ahí está. Eso es una señora predicción y una señora confirmación del modelo.

      Por otro lado, no puede ser de galaxias porque las galaxias no están distribuidas uniformemente y la radiación cósmica de fondo es uniforme en 1 parte por 100000 o más. Lo que no puede ser explicado por emisión galáctica acumulada. Además el espectro debería de ser muy diferente.

      Por eso esto que contamos es ciencia y no fantasías.

      Si tú crees que todo el mundo está equivocado estaremos encantados de ver un modelo mejor que prediga eso y sin recurrir a origenes del universo. Pero claro, con fórmulas y eso, porque dibujitos sabemos hacerlos todos.

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