¿Veremos cómo nació el universo?

Invitat 31/07/10, 05:08 pm

JOSÉ ALBERTO RUBIÑO MARTÍN 14/12/2009

El estudio del fondo cósmico de microondas es una herramienta muy poderosa para comprender cómo fueron los primeros instantes

Mapa del fondo cósmico de microondas obtenido por el satélite WMAP, de la NASA. La luz que nos llega del fondo de microondas se originó hace 13.400 millones de años. Este mapa nos muestra cómo era el universo recién nacido.- NASA / WMAP

Si queremos ver el universo recién nacido, no usaremos una cámara fotográfica convencional, que captura la radiación electromagnética en longitudes de onda similares a las que puede detectar el ojo humano. Para el ver el universo recién nacido debemos observarlo con unos ojos que nos permitan ver ondas de radio o en microondas. Cuando los astrónomos usamos receptores de microondas, captamos una radiación que se originó cuando el universo tenía unos 380.000 años: el fondo cósmico de microondas.

Hoy día, el modelo más ampliamente aceptado por la comunidad científica que describe el origen y evolución del universo es el del Big Bang. Según este modelo, el universo nació hace unos 13.700 millones de años. En ese pasado remoto no existían galaxias ni estrellas, y la densidad y temperatura eran tan elevadas que toda la materia se encontraba en forma de plasma. Desde esa fase inicial, el universo se expandió y enfrió, dando lugar con el tiempo a la formación de las estructuras que observamos hoy: estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias... pues bien, el fondo de microondas viene a ser una especie de huella térmica de ese pasado caliente de nuestro universo. Durante la expansión, ese baño térmico también se ha enfriado, de manera que hoy lo observamos a una temperatura de -270 grados centígrados, apenas 3 grados por encima del cero absoluto de temperatura. Esta radiación tan fría sólo puede verse en microondas.

El fondo de microondas se conoce desde hace relativamente muy poco tiempo. El físico y astrónomo ucranio George Gamow fue el primero en proponer su existencia a mediados de los años cuarenta del siglo pasado. Las primeras predicciones acerca de su temperatura aparecieron poco después, e incluso científicos de Princeton empezaron a preparar instrumentos específicos para su detección allá por los sesenta. Sin embargo, el fondo cósmico de microondas fue descubierto de manera completamente fortuita por A. Penzias y R. Wilson en 1964, cuando hacían pruebas con una antena de telecomunicaciones en los laboratorios Bell (Nueva Jersey, EE UU). La propia existencia de dicha radiación constituye uno de los pilares centrales de nuestra visión del universo, y así fue reconocido cuando en 1978 ambos recibieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento. En palabras del propio Wilson, gracias a su descubrimiento la cosmología "pasó de estudiar objetos individuales a estudiar el universo como un todo".

La atracción gravitatoria

Tal como entendemos la evolución del universo, todas las estructuras que observamos en nuestro entorno (galaxias, cúmulos de galaxias...) crecen por efecto de la atracción gravitatoria a partir de pequeñas irregularidades en la distribución de materia que existía en el universo primitivo. Estas semillas originales también dejaron su huella en el fondo cósmico de microondas, en forma de pequeñas variaciones espaciales de temperatura. Por este motivo, el estudio de dichas irregularidades constituye una herramienta muy valiosa para acercarnos al pasado de nuestro universo, y poder entender así las propiedades globales del mismo.

Desde poco después de su descubrimiento, un gran número de experimentos intentaron detectar las huellas de esas semillas originales en el fondo de microondas, aunque su detección no llegaría hasta 1992 gracias a las medidas del satélite COBE de la NASA. La razón principal por la cual los astrónomos necesitamos tanto tiempo para detectar estas huellas fue la pequeña amplitud de las mismas, ya que constituyen desviaciones de tan sólo una parte en 100.000.

Sin embargo, estas minúsculas variaciones son tremendamente importantes, pues codifican las propiedades globales de nuestro universo. Desde la década de los noventa, múltiples experimentos se han dedicado a extraer de forma sistemática el mapa de irregularidades del fondo de microondas: muchos desde la Tierra, algunos usando globos estratosféricos y también con satélites como COBE, y más recientemente, con WMAP de la NASA y Planck de la Agencia Europea del Espacio.

Los constituyentes del universo

Gracias a todos estos experimentos, el fondo de microondas se ha convertido en una de las herramientas más poderosas de la cosmología moderna. Del estudio del mapa de irregularidades primordiales somos capaces de extraer con gran precisión un desglose de los constituyentes fundamentales de nuestro universo. Así, nos hemos encontrado con la sorpresa de que la materia ordinaria de la cual estamos hechos (materia bariónica) apenas da cuenta del 5% del contenido total de energía del universo. El 25% del total es debido a un tipo de materia no ordinaria que denominamos materia oscura. Y lo más sorprendente es que la mayor parte, el 70% del contenido energético del universo, está en una forma de energía cuyas propiedades no conocemos, y que denominamos energía oscura.

Aunque en los últimos años se ha avanzado significativamente en las comprensión de las propiedades globales del universo, aún quedan muchos interrogantes que el estudio del fondo de microondas puede ayudar a resolver en un futuro inmediato. Una de esas cuestiones esenciales es la compresión de los procesos físicos que tienen lugar en los primeros instantes del universo, y en particular durante la primera fracción de segundo tras su nacimiento.

La cosmología moderna predice que durante ese instante inicial, el universo atravesó por un periodo de expansión acelerada, que denominamos inflación. Desde un punto de vista teórico, la inflación proporciona un mecanismo para explicar el origen de las semillas primordiales que dieron lugar a las estructuras que vemos hoy en el universo. De hecho, algunas de las predicciones de dicho mecanismo ya han sido medidas y contrastadas por los experimentos actuales.

Las ondas gravitacionales

Sin embargo, existe otra gran predicción de la mayoría de los modelos de inflación que aún no ha sido comprobada, y es la existencia de ondas gravitacionales generadas durante los primeros instantes de vida del universo. Las ondas gravitacionales son una predicción de la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. De haber existido en los primeros instantes de vida del universo, éstas habrían dejado una huella muy específica en la polarización de los mapas del fondo cósmico de microondas. La medida de dicho rasgo abriría un nuevo horizonte en la compresión del origen de nuestro universo, y supondría un avance importante para la física de muy altas energías.

Por ello, en los próximos años varios experimentos de microondas van a intentar extraer dicha señal. El primero de ellos será el satélite Planck, de la ESA, que fue lanzado en mayo de este año 2009 y que ya está realizando sus mediciones a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. Desde España han participado en su construcción las universidades de Cantabria y Granada y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Por otro lado, durante el año próximo también iniciará su andadura un nuevo experimento que se instalará en el Observatorio del Teide (Tenerife), denominado QUIJOTE-CMB, para la medida de la polarización del fondo de microondas. Sin lugar a dudas, el estudio de los datos que proporcionen ambos experimentos (y muchos otros que se realizarán en los próximos años) supondrá un avance significativo en cosmología, acercando la frontera de nuestro conocimiento un poco más hacia el nacimiento del universo.

Premio a la mejor tesis doctoral sobre astronomía

La Sociedad Española de Astronomía convoca la sexta edición del premio bienal a la mejor tesis doctoral española en astronomía y astrofísica. Pueden optar las tesis doctorales leídas en 2008 y 2009. El período de presentación finaliza el 12 de febrero de 2010. La dotación es de 1.600 euros. Consulta las bases. Más información en: secretario@sea.am.ub.es.

José Alberto Rubiño Martín es un investigador Ramón y Cajal del Instituto de Astrofísica de Canarias (Tenerife)