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El fondo cósmico de microondas, la fotografía más antigua del universo

Galaxia Andrómeda. / Robert Gendler.

Por Pablo Fernández de Salas (CSIC)*

Cuando miramos al cielo nocturno, la mayoría de lo que vemos es un manto negro con algunas estrellas dispersas. Por eso, siempre nos han dicho que el universo está prácticamente vacío.

Sin embargo, en el interior de una galaxia como la nuestra esto no es realmente cierto, ya que en el espacio que media entre las estrellas hay mucho polvo y nubes de gas molecular. Otra cosa distinta es lo que ocurre en el enorme espacio que por lo general separa las galaxias. Sin ir más lejos, Andrómeda, la galaxia más cercana a la Vía Láctea, se encuentra a nada menos que dos millones y medio de años luz. Si alguien nos enviara un mensaje desde allí, ¡tendríamos que esperar un mínimo de dos millones y medio de años para recibirlo! La cantidad de polvo y gas que hay en estas grandes distancias es ridículamente pequeña, y es por ello que decimos que el espacio intergaláctico se encuentra vacío. No obstante, estrictamente hablando, dicho espacio queda muy lejos de no contener nada.

Lo que llena el espacio intergaláctico está presente a lo largo y ancho de todo el universo. Se trata, principalmente, de fotones, las partículas que componen la luz. Comparten el espacio con otras partículas, como por ejemplo los neutrinos, pero los fotones son las más abundantes del universo. Concretamente, hay más de medio millón de fotones en el volumen que ocupa una botella de litro y medio en el ‘vacío’ cósmico. ¿Cómo es posible que, siendo fotones, no los veamos a simple vista?

Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson bajo la antena que descubrió el fondo cósmico de microondas, en Holmdel, Nueva Jersey. / NASA.

La explicación la encontramos en su origen. Los fotones que pueblan el universo se conocen, en su conjunto, como el fondo cósmico de microondas, y son, además de los más abundantes del cosmos, también los más viejos. Proceden de una época en la que el universo tenía menos de medio millón de años. Trescientos ochenta mil años, siendo más precisos, frente a los casi catorce mil millones de años que tiene en la actualidad. ¡Apenas un día en la vida de un ser humano!

Estos fotones, creados cuando el universo era tan joven, sufrieron un proceso que se conoce con el nombre de desacoplamiento. Antes de que esto ocurriera, el cosmos era una especie de ‘sopa traslúcida’, conocida como plasma, en la que los fotones no duraban mucho, ya que se aniquilaban y creaban de nuevo sin descanso debido a sus frecuentes interacciones con electrones y núcleos de elementos ligeros. Sin embargo, cuando la temperatura descendió por debajo de los 3.000 grados, los electrones se hicieron suficientemente lentos como para que los núcleos los capturaran para formar átomos. Eso, a su vez, permitió que los fotones dejaran de chocar constantemente con esas partículas y pudieran emprender un viaje en solitario y en todas las direcciones hasta nuestros días.

satélite Planck

Representación artística del satélite Planck. /
ESA-AOES Medialab.

A lo largo de todos estos años que nos separan, estos fotones se han ido enfriando por culpa de la expansión del universo hasta alcanzar hoy una temperatura de 270 grados bajo cero. Paradójicamente, esto hace que calienten el universo, ya que si no estuvieran en todas partes la temperatura del cosmos se encontraría en el cero absoluto, a menos 273 grados.

Además de enfriarlos, la expansión del universo ha expandido la longitud de onda de estos fotones, por lo que ya no nos llegan en forma de luz –nuestros ojos no pueden verlos–, sino en forma de microondas –que no pueden ser ‘vistas’ pero sí detectadas–. La primera detección de este fondo cósmico de microondas fue realizada de forma más o menos fortuita por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson en 1964 con una descomunal antena. Ambos fueron galardonados con el Premio Nobel de Física.

Desde entonces la comunidad investigadora ha observado estos antiquísimos fotones con satélites como COBE, WMAP o Planck, y con experimentos situados en la superficie de la Tierra. Actualmente, la observación más precisa de las anisotropías del fondo cósmico se la debemos al satélite Planck, que tras cuatro años de operación nos ha permitido tomar la fotografía más antigua del universo.

Antisotropías

Anisotropías del fondo cósmico de microondas medidas por el satélite Planck. La fotografía más antigua del universo. / ESA-Planck Collaboration.

La imagen refleja las minúsculas variaciones –del orden de las cienmilésimas de grado– que existen entre estos fotones según la dirección de la que procedan. Estas pequeñas desviaciones, conocidas como anisotropías, constituyen una fuente de información maravillosa sobre nuestro universo, en especial en sus primeros años de vida. Por ejemplo, permiten estudiar las diferencias en la densidad del plasma cósmico cuando el universo tenía trescientos ochenta mil años, o características de los neutrinos y de la materia oscura ligadas con las propiedades estadísticas de dichas anisotropías, tareas que llevamos a cabo en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia) con datos preliminares obtenidos por el satélite Planck.

 

* Pablo Fernández de Salas es investigador en el Instituto de Física Corpuscular (centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia).

El universo es un globo que se hincha a toda velocidad

Balloon-AnalogyPor Mar Gulis

Una de las mejores imágenes para representar la expansión del universo es la de un globo que se hincha. Si sobre la superficie de este globo marcamos previamente unos puntos con tinta, veremos que los puntos no se mueven con respecto al globo, sino que la ‘cantidad de globo’ entre ellos aumenta a medida que lo inflamos. En el caso de que pudiéramos anclar observadores en las marcas, estos verían cómo se alejan mutuamente entre sí a velocidades proporcionales a su distancia, por más que ellos no gasten ninguna energía en moverse.

Las galaxias se parecen a estos puntos: flotan como objetos inertes en el espacio, pero se alejan entre sí arrastradas por el propio crecimiento de la ‘cantidad’ de espacio. Por esta razón no se puede hablar de un centro del universo, como no se puede hablar de un país que esté en el centro de la superficie terrestre.

Resulta muy fácil observar marcas en un pequeño globo desde fuera, pero en el caso de nuestro universo estamos situados dentro de algo que, por lo demás, es enorme. ¿Por qué entonces sabemos que las galaxias se alejan entre sí?

Como explica el físico del CSIC José Luis Fernández Barbón, para entenderlo hay que tener en cuenta que en la teoría de Einstein una expansión del espacio conlleva un ‘estiramiento de las ondas de luz que lo atraviesan. En consecuencia, si intercambiamos señales de luz entre dos galaxias que se alejan, la longitud de onda en recepción tiene que ser mayor que en emisión. Cuanto más tiempo dura el viaje de los fotones, más estiramiento sufrirán.

Ondas

Este efecto se parece al cambio de agudo a grave en el sonido de un tren que pasa por nuestro lado a gran velocidad (el llamado efecto Doppler). En astronomía se llama corrimiento al rojo cosmológico, un concepto clave para determinar las distancias de las galaxias lejanas: cuanto más rojas se ven, más lejos están y más rápido van. Esto es así porque en el espectro visible el rojo se corresponde con mayores longitudes de onda.

Corrimiento al rojo

Cuanto más lejos están las galaxias (eje vertical), mayor es la longitud de onda medida en nanómetros (eje horizontal) y, por tanto, más rojo se aprecia su espectro.

Estudiando el espectro de las galaxias podemos deducir a qué velocidades se alejan. Si nos fijamos en el cúmulo de Virgo, a una distancia media de 50 millones de años luz, veremos que todas se alejan de nosotros a velocidades entre 1.000 y 2.000 kilómetros por segundo. Y en el supercúmulo de Coma Berenice, a 300 millones de años luz, las velocidades oscilan entre 7.000 y 8.500 por segundo.

El corrimiento al rojo cosmológico ocurre con todas las galaxias, salvo las situadas en nuestro cúmulo local, como Andrómeda. En este caso, el desplazamiento del espectro se produce hacia el azul, lo cual quiere decir que, en lugar de alejarse, se acerca a nosotros a una velocidad de 60 kilómetros por segundo. Eso significa que dentro de 4.000 millones de años Andrómeda y la Vía Láctea se fusionarán, pero eso es otra historia…

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre la expansión del universo y el corrimiento al rojo consulta el libro Los agujeros negros (CSIC-Catara), de José Luis Fernández Barbón, la web de divulgación sobre astronomía NASE y la web de Henrietta Leavitt del Instituto Astrofísico de Andalucía (CSIC).