Explorando los orígenes del Universo

El premio Nobel de Física este año ha ido para John C. Mather y George F. Smoot por «descubrir la forma de cuerpo negro y anisotropía del fondo de radiación».

Este post va destinado para los que se preguntan qué es exactamente lo que han descubierto estos señores.

Comencemos con la radiación de fondo. Según el modelo de Big Bang, si el universo se generó con una gran explosión de energía y se expandió con el tiempo, de este acontecimiento debería quedar un testimonio detectable en forma de leve energía o radiación de baja frecuencia. La radiación de fondo fue predicha por Alpher, Hermann y Gamow (que decía que sólo podía hacer física cuando bebía y daba las clases borracho), en los años 40 y descubierta casualmente por Penzias y Wilson en 1964.

Estos, mientras trabajaban en un nuevo tipo de antena, encontraron una fuente de ruido en la atmósfera que no pudieron explicar. Si bien al principio pensaron que la antena no funcionaba correctamente, después identificaron esta radiación como la radiación de fondo (reforzando la teoría del Big Bang), y por su descubrimiento recibieron el Nobel en 1978.

Debido a la poca sensibilidad de las antenas la radiación medida era isótropa, es decir, tenía la misma frecuencia en todas las direcciones, lo cual no concordaba con el modelo del Big Bang. Sin embargo, lo que Mather y Smoot descubrieron, mediante el satélite COBE, fue que realmente la radiación es anisótropa, es decir, es distinta dependiendo de la dirección en la que se mire. Estas irregularidades son el reflejo de variaciones en la densidad del universo primigenio, y nos da indicios de la estructura del universo actual a gran escala, como la distribución de las galaxias. La forma que tiene esta radiación de fondo es ésta:

Hasta aquí queda explicado la anisotropía del fondo de radiación. Ahora veamos que es un cuerpo negro. Un cuerpo negro es una idealización en física (es decir, no existe en la naturaleza), que consiste en un supuesto objeto capaz de absorver todas las radiaciones de cualquier frecuencia (recordemos que una radiación es una onda electromagnética, una onda capaz de viajar por el vacío. La luz visible, las ondas de radio, infrarrojas, ultravioletas… son ondas electromagnéticas de distinta frecuencia). Por otro lado, todo cuerpo, debido a las microscópicas oscilaciones de las partículas que los componen, desprenden radiaciones electromagnéticas y éstas tienen lo que se denomina un espectro característico del cuerpo en cuestión, que no es más que una gráfica en la que se representa la intensidad de las ondas para cada frecuencia y depende de su composición, estado, temperatura, etc.

Si bien el cuerpo negro es una idealización, su espectro se puede obtener midiendo la radiación emitida por un agujero pequeño en una cámara cerrada, pues cualquier luz que entrara por el agujero sería deflectado por las distintas paredes de la cámara hasta desaparecer (ver dibujo). El espectro detectado para distintas temperaturas es el que se refleja en las líneas continuas de la gráfica siguiente:

Se observa que, dependiendo de la temperatura a la que esté el cuerpo, el espectro tiene su máximo en distintas frecuencias (o longitudes de onda). Lo que observaron Mather y Smoot en la radiación de fondo es que su espectro es el de un cuerpo negro a una temperatura de 2.7ºK (-275.8ºC), lo cual también era predicho por la teoría del Big Bang (según Gamow en los 40, debía ser de 5ºK, un valor muy aproximado).

¿Por qué es importante este descubrimiento? Principalmente porque ratifica el modelo del Big Bang, que describe las distintas fases por las que ha pasado el universo desde su inicio y además fecha la edad del universo en 15 mil millones de años.