Se cree que el fondo de microondas cósmico (CMB) es la radiación sobrante del Big Bang, o la época en que comenzó el universo. Como dice la teoría, cuando nació el universo experimentó una rápida inflación y expansión. (El universo todavía se está expandiendo hoy, y la tasa de expansión parece diferente dependiendo de dónde mire). El CMB representa el calor que quedó del Big Bang.
No puedes ver el CMB a simple vista, pero está en todas partes del universo. Es invisible para humanos porque hace mucho frío, solo 2.725 grados por encima del cero absoluto (menos 459.67 grados Fahrenheit, o menos 273.15 grados Celsius). Esto significa que su radiación es más visible en la parte de microondas del espectro electromagnético.
Orígenes y descubrimiento
El universo comenzó hace 13.800 millones de años, y el CMB se remonta a unos 400.000 años después del Big Bang. Eso se debe a que en las primeras etapas del universo, cuando solo tenía cien -millonésima parte del tamaño que tiene hoy, su temperatura era extrema: 273 millones de grados por encima del cero absoluto, según la NASA.
Todos los átomos presentes en ese momento se rompieron rápidamente en pequeñas partículas (protones y electrones). La radiación del CMB en fotones (partículas que representan cuántos de luz u otra radiación) se dispersó de los electrones. «Por lo tanto, los fotones vagaron por el universo primitivo, al igual que la luz óptica vaga por una densa niebla», escribió la NASA.
Aproximadamente 380.000 años después del Big Bang, el universo estaba lo suficientemente frío como para que se pudiera formar hidrógeno. Debido a que los fotones del CMB apenas se ven afectados por el impacto del hidrógeno, los fotones viajan en línea recta. Los cosmólogos se refieren a una «superficie de última dispersión» cuando los fotones del CMB chocan por última vez con la materia; después de eso, el universo era demasiado grande. Entonces, cuando mapeamos el CMB, miramos hacia atrás en el tiempo a 380,000 años después del Big Bang, justo después de que el universo era opaco a la radiación.
El cosmólogo estadounidense Ralph Apher predijo por primera vez el CMB en 1948, cuando estaba trabajando con Robert Herman y George Gamow, según la NASA. El equipo estaba realizando una investigación relacionada con la nucleosíntesis del Big Bang, o la producción de elementos en el universo además del isótopo (tipo) más ligero de hidrógeno. Este tipo de hidrógeno se creó muy temprano en la historia del universo.
Pero el CMB se encontró por primera vez por accidente. En 1965, dos investigadores de Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias y Robert Wilson) estaban creando un receptor de radio y estaban desconcertados por el ruido que estaba recibiendo. Pronto se dieron cuenta de que el ruido venía uniformemente de todo el cielo. Al mismo tiempo, un equipo de la Universidad de Princeton (dirigido por Robert Dicke) estaba tratando de encontrar el CMB. El equipo de Dicke se enteró del experimento de Bell y se dio cuenta de que se había encontrado el CMB.
Ambos equipos publicaron rápidamente artículos en el Astrophysical Journal en 1965, con Penzias y Wilson hablando de lo que vieron, y el equipo de Dicke explicando lo que significa en el contexto del universo (más tarde, Penzias y Wilson (ambos recibieron el Premio Nobel de física de 1978).
Estudiar con más detalle
El CMB es útil para los científicos porque nos ayuda a aprender cómo se formó el universo primitivo. una temperatura uniforme con solo pequeñas fluctuaciones visibles con telescopios precisos. «Al estudiar estas fluctuaciones, los cosmólogos pueden aprender sobre el origen de las galaxias y las estructuras a gran escala de las galaxias y pueden medir los parámetros básicos de la teoría del Big Bang», escribió la NASA.
Si bien se cartografiaron partes del CMB en las décadas siguientes después de su descubrimiento, el primer mapa de cielo completo basado en el espacio provino de la misión Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA, que se lanzó en 1989 y cesó operaciones científicas en 1993. Esta «imagen de bebé» del universo, como N ASA lo llama, confirmó las predicciones de la teoría del Big Bang y también mostró indicios de estructura cósmica que no se habían visto antes. En 2006, el Premio Nobel de Física fue otorgado a los científicos de COBE John Mather en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, y George Smoot en la Universidad de California, Berkeley.
Un mapa más detallado llegó en 2003 por cortesía de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), que se lanzó en junio de 2001 y dejó de recolectar ciencia datos en 2010. La primera imagen fijó la edad del universo en 13,7 mil millones de años (una medida desde refinada a 13,8 mil millones de años) y también reveló una sorpresa: las estrellas más antiguas comenzaron a brillar unos 200 millones de años después del Big Bang, mucho antes que predicho.
Los científicos siguieron esos resultados mediante el estudio de las primeras etapas de inflación del universo (en la billonésima de segundo después de la formación) y proporcionando parámetros más precisos sobre la densidad del átomo, la grumosidad del universo y otras propiedades del universo poco después de su formación. También vieron una extraña asimetría en las temperaturas promedio en ambos hemisferios del cielo y un «punto frío» que era más grande de lo esperado. El equipo de WMAP recibió el Premio Breakthrough Prize en Física Fundamental 2018 por su trabajo.
En 2013, se publicaron los datos del telescopio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea, que muestran la imagen de mayor precisión del CMB hasta el momento. Científicos descubrió otro misterio con esta información: las fluctuaciones en el CMB a grandes escalas angulares no coincidían con las predicciones. Planck también confirmó lo que vio WMAP en términos de la asimetría y el punto frío. La publicación de datos final de Planck en 2018 (la misión operó entre 2009 y 2013) mostraron más pruebas de que la materia oscura y la energía oscura, fuerzas misteriosas que probablemente están detrás de la aceleración del universo, parecen existir.
Otros esfuerzos de investigación han intentado analizar diferentes aspectos del CMB. Uno es determinar los tipos de polarización llamados modos E (descubierto por el interferómetro de escala angular de grados con base en la Antártida en 2002) y modos B. Los modos B se pueden producir a partir de lentes gravitacionales de modos E (esta lente fue vista por primera vez por el telescopio del Polo Sur en 2013) y ondas gravitacionales (que se observaron por primera vez en 2016 utilizando el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser avanzado, o LIGO). En 2014, se dijo que el instrumento BICEP2 con base en la Antártida había encontrado modos B de ondas gravitacionales, pero más observaciones (incluido el trabajo de Planck) mostraron que estos resultados se debían al polvo cósmico.
A mediados de 2018 , los científicos todavía están buscando la señal que mostró un breve período de rápida expansión del universo poco después del Big Bang. En ese momento, el universo se estaba haciendo más grande a un ritmo más rápido que la velocidad de la luz. Si esto sucediera, los investigadores sospechan que esto debería ser visible en el CMB a través de una forma de polarización. Un estudio de ese año sugirió que un brillo de nanodiamantes crea una luz tenue, pero discernible, que interfiere con las observaciones cósmicas. Ahora que se tiene en cuenta este brillo, las investigaciones futuras podrían eliminarlo para buscar mejor la débil polarización en el CMB, dijeron los autores del estudio en ese momento.