La radiación cósmica de fondo

Hoy sabemos que el hidrógeno existió desde el principio, sabemos que el hidrógeno es el elemento más liviano y sabemos que las galaxias se alejan aceleradamente, o sea, que el universo (la materia y la energía) se expande y se enfría continuamente. Esto lo hemos confirmado con el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo (el fondo cósmico de microondas) presente en cada rincón del universo a una temperatura de aproximadamente 2.73 Kelvin, y puede medirse en todas las direcciones del universo. Su existencia fue predicha por Gamow, que fue uno de los físicos que la calcularon teóricamente y concluyeron en 5 Kelvin, antes de que se realizara su medición con mayor precisión y se demostrara que sus estimaciones y cálculos (de 5 Kelvin) estaban muy cerca de la temperatura de los fotones de la radiación de fondo (2.73 Kelvin).

La presencia de esta radiación —o fotones— a esta temperatura representa un rastro remanente de un período pasado en el que el universo era más pequeño, más caliente, sobrecargado de radiación o fotones; porque el universo, cuanto más se expande, más aumenta la longitud de onda de los fotones, menor es su frecuencia y menor su temperatura, pues la energía de los fotones es inversamente proporcional a sus longitudes de onda.

En cuanto a cómo se completa la verificación de forma precisa mediante la radiación cósmica de fondo que los fotones tenían mayor energía y, por ende, que el universo era más cálido y más pequeño, pues es a través de la medición de la energía de estos fotones o de la temperatura de la radiación cósmica de fondo en una fecha anterior al presente. Esto es posible porque sabemos que los fotones viajan a la velocidad de la luz y que, por lo tanto, los que llegan a nosotros, llegan atrasados en un tiempo que depende de la distancia entre el acontecimiento y nosotros en el universo. Así pues, si observamos una galaxia que está a tantos años de nosotros significa que estamos viendo y observando acontecimientos que ocurrieron hace tantos años. Por lo tanto, si podemos detectar la energía de los fotones o la temperatura de la radiación cósmica de fondo en esa galaxia y resulta ser más alta que la temperatura de la radiación de fondo que nos rodea, que sabemos es de 2.73 Kelvin, entonces sabremos que el universo era más cálido y más pequeño, confirmando así la validez del modelo estándar sobre la base de un argumento muy firme. De hecho, esto es posible, puesto que está el termómetro cósmico, que es el cianógeno, por medio del cual se puede conocer la temperatura de la radiación de fondo en las galaxias lejanas a nosotros, lo cual significa conocer la temperatura de la radiación cósmica de fondo o la energía de los fotones antes de este tiempo. De esta manera, los científicos han resuelto la cuestión a favor del modelo estándar o teoría del Big Bang.

«Pero ¿por qué no iba a aceptar nadie esa interpretación? Por buenas razones. Como los fotones tardan tiempo en llegar a nosotros desde zonas lejanas del cosmos, cada vez que miramos el espacio miramos inevitablemente hacia atrás en el tiempo. Esto significa que, si los habitantes inteligentes de una galaxia muy alejada midieron por sí mismos la temperatura de la radiación cósmica de fondo, mucho antes de que consiguiéramos hacerlo nosotros, seguramente descubrieron que esa temperatura era superior a 2.73 grados Kelvin porque ellos habrían habitado el universo cuando este era más joven, más pequeño y más caliente de lo que es en la actualidad.

¿Es posible verificar una afirmación tan atrevida? Pues sí. Ocurre que el compuesto de carbono y nitrógeno denominado “cianógeno” —muy conocido entre los condenados a la pena capital por ser el ingrediente activo del gas administrado por sus verdugos— se excita con la exposición a las microondas. Si las microondas son más calientes que las de la CBR, excitarán la molécula con algo más de eficacia que nuestras microondas. Por tanto, los compuestos de cianógeno actúan como un termómetro cósmico. Cuando los observamos en galaxias lejanas, y por tanto más jóvenes, los vemos bañados en un fondo cósmico más caliente que el cianógeno de nuestra galaxia de la Vía Láctea. En otras palabras, esas galaxias deberían vivir vidas más agitadas que nosotros. Y así es.

El espectro del cianógeno en las galaxias lejanas pone de manifiesto que las microondas tienen justo la temperatura que cabe esperar en esas épocas cósmicas más tempranas. Flipante. No se puede inventar algo así.

Para los astrofísicos, la CBR supone mucho más que una fuente de pruebas directas de un universo temprano caliente y, en consecuencia, del modelo del Big Bang. Resulta que los detalles de los fotones que componen la CBR llegan a nosotros cargados de información sobre el cosmos tanto antes como después de que el universo se volviera transparente. Hemos señalado que, hasta ese momento, unos trescientos ochenta mil años después del Big Bang, el universo era opaco, por lo que no habríamos podido presenciar materia fabricando formas, aunque hubiéramos estado sentados en primera fila. No habríamos visto dónde comenzaron a formarse los cúmulos de galaxias. Antes de que nadie, en alguna parte, pudiera ver algo que mereciese la pena ser visto, los fotones tuvieron que adquirir la capacidad de desplazarse, libres de obstáculos, por todo el universo. A su debido tiempo, cada fotón inició su viaje a través del cosmos en el punto en el que chocó contra el último electrón que se interpuso en su camino. A medida que iban escapando cada vez más fotones sin ser desviados por electrones (gracias a que estos se unían a núcleos para constituir átomos), fueron creando una cáscara de fotones en expansión que los astrofísicos denominan “la superficie de la última dispersión”. Esta cáscara, que se formó durante un período de unos cien mil años, marca la época en que nacieron casi todos los átomos del cosmos.

Por entonces, ya había comenzado a fusionarse la materia de grandes regiones del universo. Cuando se acumula la materia, aumenta la gravedad, con lo cual se junta cada vez más materia. Estas regiones abundantes en materia sembraron la formación de supercúmulos de galaxias mientras que otras quedaron relativamente vacías. Los últimos fotones dispersados por electrones en las regiones de fusión desarrollaron un espectro diferente, algo más frío, mientras se salían del campo gravitatorio cada vez más fuerte, que les robaba un poco de energía. De hecho, la CBR muestra puntos que son ligeramente más calientes o más fríos que la media, por lo general en torno a una cienmilésima de grado. Estos puntos fríos y calientes señalan las estructuras más tempranas del cosmos, las primeras agrupaciones de materia. Conocemos el aspecto de la materia hoy porque vemos galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos de galaxias. Para averiguar cómo surgieron esos sistemas, investigamos la radiación cósmica de fondo, un extraordinario vestigio del pasado remoto que todavía llena el universo entero. Estudiar los patrones en la CBR equivale a una especie de frenología cósmica: podemos interpretar los bultos en el “cráneo” del universo joven y de ellos deducir la conducta no sólo de un bebé, sino también de un adulto.

Mediante otras observaciones de los universos local y lejano, a partir de la CBR los astrónomos son capaces de determinar toda suerte de propiedades cósmicas fundamentales.

Si, por ejemplo, comparamos la distribución de tamaños y temperaturas de las áreas ligeramente más calientes y frías, podemos inferir la fuerza de la gravedad en el universo temprano y, en consecuencia, el ritmo al que se acumuló la materia. De ahí podemos deducir cuánta materia corriente, materia oscura y energía oscura contiene el universo (los porcentajes son 4, 23 y 73, respectivamente). Partiendo de esto, es fácil saber si el universo se expandirá eternamente y si la expansión aminorará la marcha o acelerará a medida que pase el tiempo.

La materia corriente es de la que está formado todo. Ejerce gravedad y puede absorber, emitir y, por lo demás, interaccionar con la luz. Como veremos en el capítulo 4, la materia oscura es una sustancia de naturaleza desconocida que produce gravedad, pero no interactúa con la luz de ninguna manera conocida. Y la energía oscura, como explicaremos en el capítulo 5, provoca una aceleración de la expansión cósmica, lo que obliga al universo a expandirse más deprisa de lo que lo haría en caso contrario. Ahora el examen frenológico dice que los cosmólogos entienden cómo se comportó el universo temprano, pero también que la mayor parte del universo, entonces y ahora, consta de cosas de las que no tenemos ni idea.

Pese a la existencia de profundas áreas de ignorancia, en la actualidad la cosmología tiene una base como nunca la había tenido antes. La CBR lleva la huella de un portal por el que en otro tiempo pasamos todos».[1]

El modelo estándar (la teoría del Big Bang) ahora es aceptado ampliamente y podemos decir: que el modelo estacionario (o la teoría del estado estacionario) de Fred Hoyle ya ha quedado fuera de consideración científica y que ha quedado clara, con un grado de conocimiento científico, la validez del modelo estándar, que mientras más retrocedemos en la historia del universo mayor será la densidad, menor el volumen y mayor el calor. Cuanto más ancho es el universo (la materia y la energía) mayor es la longitud de onda de los fotones y menor es su energía y temperatura, y lo inverso es correcto también.

«La observación en 1974 de una absorción por el segundo estado de rotación del cianógeno interestelar ha permitido efectuar un cálculo de la intensidad de radiación a la longitud de onda de 0.132 centímetros, también correspondiente a una temperatura de unos 3 K. Sin embargo, tal observación hasta ahora sólo ha fijado límites superiores a la densidad de energía de radiación a longitudes de onda más cortas que 0.1 centímetros. Estos resultados son estimulantes, pues indican que la densidad de energía de radiación comienza a disminuir rápidamente para alguna longitud de onda situada alrededor de los 0.1 centímetros, como era de esperar si se trata de radiación de cuerpo negro. Pero estos límites superiores no nos permiten verificar que se trata realmente de una radiación de cuerpo negro ni determinar una temperatura de radiación precisa.

Sólo ha sido posible abordar este problema elevando un receptor de rayos infrarrojos por encima de la atmósfera de la Tierra, mediante un globo o un cohete. Estos experimentos son extraordinariamente difíciles y al principio dieron resultados inconsistentes, que alternativamente dieron su apoyo a los adeptos de la cosmología corriente o a sus oponentes. Un grupo de Cornell que efectuaba investigaciones con cohetes halló mucha más radiación de longitudes de onda cortas de la que cabría esperar de una distribución de Planck para radiación de cuerpo negro, mientras que un grupo del MIT que trabajaba con globos observó resultados aproximadamente compatibles con los esperados para la radiación de cuerpo negro. Ambos grupos continuaron su labor, y en 1972 ambos comunicaron resultados que indicaban una distribución de cuerpo negro con una temperatura cercana a los 3 K. En 1976, un grupo de Berkeley que trabajaba con globos confirmó que la densidad de energía de radiación sigue disminuyendo para las longitudes de onda cortas de la gama de 0.25 a 0.06 centímetros, de la manera que cabe esperar para una temperatura comprendida entre 0.1 K y 3 K. Ahora ya parece establecido que el fondo de radiación cósmica realmente es radiación de cuerpo negro, con una temperatura cercana a 3 K».[2]

Queda la posibilidad de que aparezca un modelo nuevo o una versión modificada del viejo modelo que describa al universo. No es algo poco probable para los físicos.

«La versión original de la cosmología de estado estacionario ha sido bastante descartada por varias observaciones astronómicas, entre ellas el descubrimiento en 1964 de la radiación de microondas que parece ser las sobras de un momento en que el universo era mucho más caliente y denso. Es posible que la idea del estado estacionario pueda revivirse a una escala mayor, en alguna teoría cosmológica futura en la que la expansión actual del universo aparezca como una mera fluctuación en un universo eterno, pero constantemente fluctuante que, en promedio, sea siempre el mismo. También hay formas más sutiles de que las condiciones iniciales tal vez algún día se deduzcan de las leyes finales. James Hartle y Stephen Hawking han propuesto una forma en que esta fusión de la física y la historia podría encontrarse en la aplicación de la mecánica cuántica a todo el universo. La cosmología cuántica es ahora una cuestión de controversia activa entre los teóricos; Los problemas conceptuales y matemáticos son muy difíciles, y no parecemos avanzar hacia conclusiones definitivas».[3]