En 1965 Penzias y Wilson descubrieron una misteriosa radiación de microondas en el fondo del cielo. Tal radiación, cuya existencia había sido predicha por varios investigadores durante las dos décadas previas, pudo ser inmediatamente reconocida como una reliquia del ‘Big Bang’. Estas observaciones vinieron por tanto a confirmar la interpretación de la ley de Hubble en términos de una expansión generalizada del universo que tenía su origen una gran explosión.

El eco del Big Bang observado por WMAP | NASA.

Gracias a la misión espacial COBE de la NASA, se detectaron en 1992 las irregularidades primigenias que debieron dar lugar a la formación de galaxias y de cúmulos de galaxias. Posteriormente, la misión WMAP contribuyó a medir parámetros importantes del universo, tales como su edad y su composición. Finalmente, el telescopio Planck lanzado por la ESA en mayo de 2009 deberá refinar todas estas medidas culminando así medio siglo de sorprendentes descubrimientos cosmológicos.

Robert Dicke | Univ. de Princeton.

La máquina del tiempo

El físico Robert Dicke (1916-1997) fue un excelente experimentador que contribuyó al desarrollo de las técnicas de radar. Pero también tenía una buena formación teórica y, reflexionando sobre la expansión de universo y la teoría del ‘Big Bang’, fue uno de los primeros en constatar la enorme importancia de observar objetos del universo más y más lejanos. En efecto, debido a la velocidad finita de la luz, el universo se comporta como una auténtica “máquina del tiempo”. Por ejemplo, cuando observamos una galaxia que se encuentra a diez millones de años-luz de nosotros, debido a que su débil luz nos tarda en llegar diez millones de años, la estamos viendo no tal y como es ahora, sino tal y como era cuando ese rayo de luz fue emitido, esto es, hace diez millones de años.

Así pues, cuanto más lejos observamos en el universo, más nos alejamos en el pasado pues observamos las galaxias cada vez más jóvenes. En el límite, pensaba Dicke en 1964, si pudiésemos observar objetos con grandes desplazamientos hacia el rojo (es decir, situados a grandes distancias) podríamos observar el universo tal y como era poco después del ‘Big Bang’. Un extremado desplazamiento hacia el rojo debería llevar la luz emitida por esos objetos lejanísimos al dominio de las microondas. Este tipo de ideas también habían sido impulsadas por el brillante cosmólogo y escritor ruso George Gamow (1904-1968) desde la década de los 1940. Entusiasmado con la idea, Dicke construyó un radiómetro especial (hoy conocido como “radiómetro de Dicke”) que instaló en el tejado de su laboratorio. Pero Dicke no detectó ninguna radiación que pudiese relacionar con la gran explosión. Si había una radiación procedente de las proximidades del ‘Big Bang’, concluyó Dicke, ésta debía corresponder a una temperatura por debajo de los 20 Kelvin (253 grados Celsius bajo cero).

Una misteriosa radiación en el fondo del cielo

Penzias y Wilson ante su antena | Bell Labs.

En los Laboratorios de la Bell Telephone en Holmdel (Nueva Jersey) otros dos jóvenes astrónomos, Arno Penzias (nacido en 1933) y Robert Wilson (nacido en 1936), habían construido una extraña antena (una especie de gran bocina receptora) de 6 metros de longitud para observar posibles microondas provenientes del halo de la Vía Láctea. En 1965, detectaron una radiación misteriosa que no parecía tener relación con nuestra Galaxia. La insistente radiación era observable en todas las direcciones del cielo y permanecía omnipresente día y noche a lo largo de todo el año. Era una señal sumamente uniforme y que correspondía a una temperatura de tan sólo unos 3 Kelvin (270 grados Celsius bajo cero). Desconcertados, Penzias y Wilson concluyeron que necesariamente tal radiación era de origen cósmico, pero no tenían idea de qué fenómeno físico podía causarla.

Arno Penzias mencionó el extraño descubrimiento al físico Bernie Burke que, casualmente, estaba muy al tanto de los trabajos de Robert Dicke en Princeton. Penzias y Wilson se entrevistaron enseguida con Dicke y fueron entonces conscientes de que habían detectado la radiación que, poco después del Big Bang, llenaba el Universo. Se trataba de una especie de eco procedente de aquella gran explosión.

La detección de este eco (el fondo cósmico de microondas) supuso un gran espaldarazo a la teoría del Big Bang que no era, hasta entonces, aceptada por todos los astrónomos. Si Hubble había descubierto de manera inequívoca la expansión del Universo cuarenta años antes, la detección de esta radiación fósil ya no dejaba ninguna duda sobre la teoría que hoy se conoce como “teoría estándar”.

Telescopios espaciales buscan ‘arrugas’ en el Universo

A partir de 1965 fueron numerosos los astrónomos que estudiaron el fondo cósmico de microondas constatando su gran isotropía y midiendo con precisión su temperatura (2,725 Kelvin). Pero era de esperar que esa radiación tan uniforme contuviese irregularidades que sirviesen para formar la estructura a gran escala que se observa en el universo local.

En 1989, la NASA envió al espacio la sonda COBE para estudiar más en detalle la radiación de fondo y, en 1992, los investigadores principales de la misión, John Mather y George Smoot, anunciaron la detección de pequeñas irregularidades o “arrugas” en dicho fondo. Las observaciones del COBE fueron un éxito total. Por primera vez se tenía una imagen de cómo era el universo unos pocos miles de años después del Big Bang. Esas pequeñas irregularidades eran las semillas de las galaxias y cúmulos de galaxias que pueblan el universo. La teoría del Big Bang seguía ganando fuerza y pasaba a tener una precisión considerable.

La sonda WMAP | NASA.

Al COBE le sucedió un telescopio de mayor precisión, el WMAP, que fue lanzado por la NASA desde Cabo Cañaveral en 2001. Los nuevos datos han ido refinando cada más las características del modelo estándar de nuestro universo. WMAP no sólo cartografió las irregularidades del fondo cósmico con un detalle muy fino, sino que estimó la edad del universo en 13,7 miles de millones de años, con una precisión del orden del 1 %.

Los datos de WMAP también han servido para estimar la composición del universo. Se ha deducido que tan sólo el 4 % del universo es materia ordinaria (bariónica), mientras que el 23 % es materia oscura (quizás materia muy fría o partículas exóticas difíciles de detectar) y el 73 % restante es un tipo totalmente desconocido de energía, lo que se ha venido a denominar “energía oscura”.

WMAP da apoyo a las teorías inflacionarias que postulan que poco después del Big Bang hubo una rapidísima expansión. Además, la estimación de la densidad del universo indica que éste tiene una geometría plana, y de ahí se deduce que se expandirá de manera indefinida. Se descartan así las ideas que sugerían la posibilidad de que el universo se expandiese hasta llegar a un límite desde el que comenzaría una contracción que podría terminar en una gran implosión (‘Big Crunch’).

Las primeras observaciones realizadas por Planck | ESA y Axel Mellinger.

El 14 de mayo de 2009 la Agencia Espacial Europea (ESA) lanzó desde Kourou en la Guayana Francesa, el telescopio espacial denominado Planck. Con mayor resolución angular, mejor sensibilidad y cobertura en frecuencias mucho más amplias que las de WMAP, se espera que Planck refine los estudios realizados por COBE y WMAP midiendo tanto la amplitud como la polarización de las anisotropías primordiales. Planck está situado a millón y medio de kilómetros de la Tierra (en el punto denominado “L2 de Lagrange”) y los primeros datos enviados por el satélite son sumamente prometedores.

Curiosidades

• Cuando Penzias y Wilson se encontraban buscando el origen de la misteriosa radiación que habían detectado, se les ocurrió que quizás ese ruido podía ser ocasionado por los abundantes excrementos depositados por las palomas que se arremolinaban en torno a su gran antena. Pero la limpieza cuidadosa de la antena llevada a cabo personalmente por los dos astrónomos no cambió en nada la situación.
• Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física en 1978 por la detección del fondo cósmico de microondas.
• Los dos investigadores principales de la misión COBE, George Smoot y John Matter, recibieron el Premio Nobel de Física en 2006. El comité de asignación del premio estimó que el “proyecto COBE puede ser considerado como el punto de partida que hace de la cosmología una ciencia de precisión”.

Fuente: Rafael Bachiller. El Mundo