¿Qué es realmente el Fondo Cósmico de Microondas?

El eco del Big Bang, la primera luz del universo, así le llaman. Pero ¿qué es realmente el fondo cósmico de microondas?

 

Tal vez hayas oído hablar del Fondo Cósmico de Microondas, una especie de luz que parece llegarnos desde todas las direcciones del cosmos y que ha sido llamado en ocasiones “el eco del Big Bang” o “la luz del Big Bang ]”. Sin embargo, este fondo cósmico no es ninguna de estas cosas, aunque esto por supuesto no lo hace menos importante o interesante. Pero hablemos de lo que sí es este fenómeno.

El Fondo Cósmico de Microondas es la luz más antigua que podemos (y podríamos) observar en todo el universo.  Por mucho que mejoraran nuestros telescopios y por mucho que descubriéramos nuevas técnicas, no seríamos capaces de detectar ningún fotón más antiguo. Tal vez sí otras partículas, pero ningún fotón. Esto se debe a que la limitación no es tecnológica, sino física. Antes de que se emitiera la luz que compone el FCM el universo era opaco a toda luz y cualquier fotón que vagara libremente por el universo era absorbido y reemitido por alguna de las otras partículas que lo poblaban (electrones y protones, por ejemplo), de forma que no podían viajar libremente por mucho tiempo. Pero tal vez deberíamos remontarnos más atrás en el tiempo.

De la sopa de partículas que llenaba todo el universo inmediatamente tras el Big Bang sólo quedaron, al cabo de unos minutos, núcleos de hidrógeno, helio y litio, electrones, fotones y neutrinos. Sin embargo, a pesar de que el universo se hubiera enfriado lo suficiente como para frenar la formación de núcleos atómicos más pesados tras apenas 20 minutos de vida, seguía demasiado caliente como para permitir que los electrones se unieran a estos núcleos atómicos para formar átomos neutros. Por tanto, durante los próximos días, meses y años, los núcleos átomicos y electrones tenían demasiada energía y tras cada una de las incontables colisiones que los hacían interaccionar volvían a separarse. Al estar libres estas partículas cargadas, podían interaccionar libremente con los fotones que también poblaban aquel universo, impidiéndoles por tanto recorrer grandes distancias sin chocar con nada.

Tuvieron que pasar unos 370 000 años para que la temperatura del universo bajara lo suficiente como para, al fin, permitir la combinación de núcleos y electrones. Cuando ocurrió esto los fotones al fin quedaron libres, pues les costaba muchísimo más interactuar con los átomos neutros que con sus constituyentes cargados. Es esta luz primordial, que estuvo atrapada durante ese primer tercio de millón de años, la que hoy en día detectamos y reconocemos como Fondo Cósmico de Microondas.

WMAP | Fondo cósmico de microondas
WMAP | Fondo cósmico de microondas

Estas microondas se detectaron por primera vez en 1964 por accidente. Los estadounidenses Arno Penzias y Robert Wilson estaban probando el nuevo radiotelescopio de los laboratorios Bell cuando detectaron una señal constante y de muy baja energía que no podían eliminar ni explicar de ningún modo. Esta señal, que estaba en el rango de las microondas, equivalía a la emisión que haría un cuerpo que abarcara el cielo entero y tuviera una temperatura apenas por encima del 0 absoluto. Esto acabó resultando ser el Fondo Cósmico de Microondas. Sin embargo, en el momento en que se emitió esa luz en los inicios del universo no estaba a tan baja temperatura ni en el rango de las microondas. Por aquél entonces la temperatura media del universo se situaba en torno a los 2700 ºC, por lo que la luz emitida por esta sopa primordial de núcleos y electrones habría emitido una luz con un leve brillo rojizo, similar al de la estrella Próxima Centauri. La luz roja tiene una longitud de onda mucho menor que las microondas.

La disminución en temperatura y la dilatación de la longitud de onda de este fondo cósmico se ha debido a la expansión sufrida por el universo desde que se emitió. En los aproximadamente 13 400 millones de años transcurridos desde su emisión, el universo se ha expandido hasta ser cientos de veces más grande que entonces. Esta radiación puede ser detectada involuntariamente por las antenas de radio, como le ocurrió a Penzias y Wilson, por lo que se cree que una pequeña contribución del ruido blanco que observábamos en una televisión de las antiguas sin sintonizar podría provenir de este Fondo Cósmico de Microondas. Sin embargo esa contribución, aún siendo detectable, sería muy pequeña, siendo la mayoría de ese ruido reflejos de otras ondas de radio que nuestro televisor no procesa correctamente.

La imagen que sirve como portada a este artículo y que tenéis más arriba muestra las fluctuaciones en este fondo cósmico, es decir las pequeñas diferencias de temperatura de la luz proveniente de cada punto del espacio. Por tanto puede considerarse como un mapa de todo el universo visto desde la Tierra aunque debe entenderse con cuidado. Estas fluctuaciones están increíblemente exageradas en esta imagen. Si cogiéramos la señal original y la tradujéramos a una luz que nuestros ojos puedan ver, el verde por ejemplo, que está más o menos en el centro del rango de longitudes de onda visibles para los humanos, veríamos una imagen completamente uniforme. No veríamos ninguna fluctuación ni imperfección, porque la realidad es que este fondo cósmico es tremendamente uniforme. Exageramos las fluctuaciones presentes para poder visualizarlas y poder trabajar con la información tan importante que nos aportan.

Esta imagen, que puede parecer incapaz de contener demasiada información es una de las pruebas más robustas que tenemos de que el universo en el que vivimos empezó con un Big Bang y es además una herramienta imprescindible para conocer el contenido energético del universo, es decir, qué porcentaje de este está compuesto de materia ordinaria o de materia o energía oscura.

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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