Fondo de Radiación Cósmica - Física en Línea

Objetivos:

Terminada la lección podrás:

Explicar los conceptos fundamentales del fondo de radiación de fondo de microondas en el universo.

Elba M Sepulveda

Introducción

El Fondo Cósmico de Microondas (CMB) es la radiación electromagnética remanente de una época muy temprana del universo, poco después del Big Bang. Se le conoce a menudo como la “radiación fósil” del universo primitivo.

¿Qué es el Fondo Cósmico de Microondas?

Cuando el universo tenía unos 380,000 años de edad, era un plasma caliente y denso de protones, electrones y fotones. A medida que el universo se expandió y enfrió, llegó un punto en el que los electrones y los protones se combinaron para formar átomos neutros de hidrógeno. Este evento se conoce como la recombinación.

Antes de la recombinación, los fotones estaban constantemente dispersados por las partículas cargadas, como en una niebla densa. Sin embargo, una vez que los átomos se volvieron neutros, el universo se volvió transparente a la luz. Los fotones pudieron viajar libremente a través del espacio.

Recombinación

Esta radiación liberada en la época de la recombinación es lo que hoy observamos como el Fondo Cósmico de Microondas. Debido a la expansión del universo, la longitud de onda de estos fotones se ha estirado enormemente, desplazándose desde la luz visible hasta la región de las microondas del espectro electromagnético.

El CMB impregna todo el universo y llega a nosotros desde todas las direcciones del cielo. Es notablemente uniforme en temperatura, con un valor promedio de aproximadamente 2.725 Kelvin (alrededor de -270.4 grados Celsius).

¿Qué Descubrieron los Científicos?

El descubrimiento y el estudio del Fondo Cósmico de Microondas han proporcionado información crucial sobre el universo primitivo y han consolidado el modelo del Big Bang. Algunos de los descubrimientos más importantes incluyen:

La Existencia del CMB:

La predicción teórica del CMB por George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman en la década de 1940 fue confirmada accidentalmente en 1964 por Arno Penzias y Robert Wilson, quienes estaban trabajando en el desarrollo de una antena de microondas para comunicaciones por satélite. Este descubrimiento proporcionó la primera evidencia sólida a favor de la teoría del Big Bang y les valió el Premio Nobel de Física en 1978.

La Temperatura del Universo Primitivo:

La temperatura uniforme del CMB en todo el cielo apoya la idea de que el universo primitivo era muy caliente y denso, y que se expandió y enfrió de manera uniforme.

Las Anisotropías (Pequeñas Variaciones de Temperatura):

Estudios posteriores, especialmente por las misiones espaciales COBE (Cosmic Background Explorer), WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) y Planck, revelaron minúsculas fluctuaciones de temperatura en el CMB, del orden de unas pocas millonésimas de Kelvin. Estas pequeñas variaciones, también conocidas como anisotropías, son extremadamente importantes porque representan las semillas de todas las estructuras a gran escala que vemos hoy en el universo, como galaxias y cúmulos de galaxias. Estas fluctuaciones iniciales en la densidad de la materia, impresas en el CMB, crecieron gravitacionalmente con el tiempo para formar las estructuras cósmicas.

La Geometría del Universo:

Las características de las anisotropías del CMB han permitido a los científicos determinar que el universo es espacialmente plano (o muy cercano a serlo).

La Composición del Universo:

El análisis detallado de los patrones de las anisotropías del CMB ha proporcionado estimaciones precisas de la composición del universo:
Aproximadamente el 5% es materia ordinaria (de la que están hechas las estrellas, los planetas y nosotros).
Alrededor del 27% es materia oscura (una forma de materia que interactúa gravitacionalmente pero no emite ni absorbe luz).
Cerca del 68% es energía oscura (la misteriosa fuerza que impulsa la expansión acelerada del universo).

Confirmación de la Inflación Cósmica:

Los patrones de las anisotropías del CMB también proporcionan fuerte evidencia a favor de la teoría de la inflación cósmica, un período de expansión exponencial extremadamente rápida que se cree que ocurrió en los primeros instantes del universo.

Resumen

En resumen, el Fondo Cósmico de Microondas es una reliquia invaluable del universo primitivo. Su descubrimiento y estudio detallado han revolucionado nuestra comprensión de la cosmología, proporcionando una rica fuente de información sobre el origen, la edad, la composición y la evolución del universo. Las pequeñas variaciones de temperatura en el CMB son particularmente significativas, ya que revelan las semillas de la estructura cósmica que observamos hoy en día.