- Ya en 1984, una plataforma espacial del proyecto soviético Relict-1, realizó el primer mapa de la temperatura del RCF, que permitió poner una cota máxima a las fluctuaciones en su temperatura. Mientras desde 1974 la NASA, conociendo las potenciales respuestas de una exploración cósmica específica, aceptaba las propuestas para misiones espaciales con fines de astrofísica y George Smoot y Sam Gulkis presentaron una propuesta para usar la técnica de radiometría diferencial de microondas (DMR) para detectar las esperadas anisotropías en la RCF y medir sus propiedades estadísticas; con las especulaciones teóricas se limitaban las expectativas y el ruido de la atmósfera en la parte del espectro ocupada por la RCF, suponía una interferencia importante, por lo que era importante realizar esas medidas en el espacio.
- Entonces se creó el satélite COBE (Explorador de radiación cósmica de fondo), que salió al espacio en 18 de noviembre de 1989 para investigar los fósiles radioactivos, esta fue la primera fuente importante y experimental para ubicarnos – aunque aceptando los márgenes de error notables – en una noción sobre el tiempo del universo, permitió confeccionar, a principios de los 90, el mapa del Universo en sus primeros momentos astronómicamente hablando. Si la teoría del Big Bang calcula que la gran explosión que dio origen al Cosmos ocurrió hace 13,700 millones de años, la imagen que obtuvieron mostraba cómo era a los 389.000 años de edad, en términos proporcionales a una vida humana, correspondería a la imagen de un embrión de unas pocas horas de vida y se le llamó “la cara de Dios”.
- Las mediciones contenidas en ese mapa global reflejaban la no tan uniforme presencia de la radiación de fondo de microondas en todas las direcciones posibles, detectó por primera vez pequeñísimas fluctuaciones en esa radiación, ínfimas diferencias de temperaturas llamadas anisotropías; el espectro se determinó con una precisión notable que demostraba que la misma no era exactamente homogénea, y muy importante que, al comparar la radiación observada en distintas direcciones, se observan variaciones de alrededor de una parte en cien mil, esa falta de homogeneidad fue clave para formar las impurezas que dieron a nacer las galaxias, lo contrario no hubiese permitido crear cúmulos y la consiguiente vida. Experimentos complementarios usando antenas con base en tierra y globos instrumentados, confirmaron esas ligeras variaciones, y trataron de detallar sus datos al máximo, era importante detallar las anisotropías de la radiación de fondo que simbolizaban las “huellas” que delatan, entre otras cosas, las asimetrías iniciales en la distribución de la materia en el universo primitivo, así germinaron las galaxias, con su estudio detallado, se podía determinar otros parámetros cosmológicos críticos, como la densidad, composición y edad del universo.
- ¿Y cual era el fundamento de las anisotropías detectadas? Según predijo la relatividad general, como se demostró en 1919, los haces de luz - tal como si fueran cuerpos con masa importante atraídos hacia la tierra - sufrirán los efectos del campo de gravedad de un cuerpo espacial de gran masa (planetas, estrellas ó cúmulo) desviando su trayectoria en 1.75 segundos de arco; este es un efecto relativista al que se suma otro, y es que cuando la luz viaja entre un medio con fluctuaciones de densidad de materia (que involucran grandes cantidades de masa), los rayos de luz traducen pequeños aumentos y disminuciones en su frecuencia proporcionales a las fluctuaciones en la materia, y es la base para la predicción de anisotropías en la RCF. La interacción de la luz con el campo de gravedad que produjeron las fluctuaciones de la densidad de la materia originaron las anisotropías vistas en los mapas de la RCF.
¿ Y COMO SE FORMARON LAS GALAXIAS?
- Big Bang es una racional y elegante teoría que trajo consigo una profecía a mediano plazo sobre la existencia de la RCF, la cual como se vio, fue detectada en los años 60 y mapeada con cierta precisión en el ocaso del siglo XX, contribuyendo a solidificar el modelo, pero también nos acercó más a explicar como se originó el universo, al llevarnos a la pregunta de como surgieron las galaxias si hubo una perfecta explosión, atestiguada por el descubrimiento de Penzias y Wilson, y si el espacio entero se llenó de gas caliente que se expandía con uniformidad.
- Como se vio entre los acontecimientos después de los 300,000 años, al enfriarse el universo, la luz tomó su camino separado y brindó la transparencia al escenario y ¿pero que fue de la materia?, regadas en gigantescas nubes de polvo y gas uniformemente caliente, aparecieron ciertas “imperfecciones” (inhomogeneidades) pequeñas variaciones en la densidad de su masa, como “embriones gravitatorios cósmicos” para que a su alrededor se empezara a condensar polvo y el gas y esas regiones con mayor concentración de materia tendieron a colapsar por la gravedad y con el tiempo y la expansión estas se volvieron cada vez más densas, la caída de la temperatura y presión le permitieron a la gravedad imponerse y formar inicialmente cúmulos que luego originaron las galaxias. Esas “imperfecciones” habrían quedado impresas en aquella radiación que todo lo bañaba, y que con el correr de miles y miles de millones de años se fue enfriando y estirando, mutando desde poderosos rayos gamma hasta las débiles microondas de hoy en día.
- A partir de las imperfecciones, se sospechaba una posible explicación del origen de las galaxias, era probable que la RCF no era tan regular como la midieron Penzias y Wilson, pero para encontrarse objetivamente en precisión como para detectar esas inhomogeneidades, RCF era uniforme hasta las centésimas de grado, se requería mediciones en el orden de la cienmilésima de grado en la temperatura de del ruido de fondo y no se podía lograr eso desde la superficie terrestre poblada de interferencias. Entonces ante esa necesidad se lanzó el COBE y a los 3 años se reportaron resultados que demostraban “una serie de arrugas” (cambios de temperatura muy pequeños) en el resplandor (ruido de fondo) de la explosión primigenia y ya que parecía que esas arrugas del espacio-tiempo explicaban el origen de las galaxias, llevaba a la lógica pregunta sobre el origen de esas arrugas.
- Según explicaciones de cosmólogos, al crearse el universo aparecieron sus cuatro únicos componentes: materia, radiación, espacio-tiempo y vacío. Ese “vacío” en realidad se trataría “de un vacío cuántico”, ejemplo graficable si al intentar eliminar toda la materia de una región, se conseguirá un elevadísimo vacío, pero no se podrán desaparecer todas las radiaciones, perdurarán siempre las de tipo electromagnética y gravitatoria que se producen de forma aleatoria e incontrolable y que son creadas por las radiaciones que existen en las cercanías, entonces el vacío “está lleno” de fluctuaciones de radiación, a las que es imposible hacer desaparecer; es de suponer que al ocurrir la explosión y crearse el vacío, con el aparecieron también las fluctuaciones cuánticas que originaron las arrugas del espacio-tiempo y que descubrió COBE.
LA RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO
- Las interpretaciones de las medidas cuantitativas de las fluctuaciones de densidad de la materia y luz se realizó utilizando variables y técnicas estadísticas, así en las medidas de COBE la desviación estándar de los valores de la temperatura de la RCF resulta ser de 44 ± 7 microKelvin, pero los resultados arrojados por estas técnicas de análisis indican que el universo efectivamente pasó por una época en la que existían fluctuaciones en la densidad de la materia. COBE midió la temperatura de la RCF utilizando el instrumento DMR - un radiómetro diferencial que medía la potencia entregada por las ondas electromagnéticas interceptadas por su antena - que también captó algunas fluctuaciones en la temperatura del fondo de microondas, aunque la nave no contaba con los aparatos para capturar esas irresoluciones y traducirlas, pero se deducía que indicaban los primeros indicios de materia en el cosmos; otros instrumentos a bordo del COBE fueron el FIRAS (Far-Infrared Absolute Spectrophotometer) un interferómetro encargado de la medición del espectro de la RCF y el DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment) encargado de medir la radiación infrarroja de fondo (técnica de interferometría que usó Michelson y Morley en el célebre experimento que pudo confirmar la constancia de la velocidad de la luz independientemente del estado de movimiento de la fuente emisora), cuando se logra una señal nula en el interferómetro, dos temperaturas coinciden. FIRAS obtuvo para la temperatura de la RCF el valor de 2.726 ± 0.010 con desviaciones con respecto a un espectro de cuerpo negro no mayores que el 1%, entonces se pudo establecer que la radiación cósmica de fondo es realmente una radiación de cuerpo negro.
- Los objetos emiten radiación electromagnética según su temperatura, eso nos permitiría fotografiarnos de noche sin un flash usando una película sensible a la radiación infrarroja, ya que esa radiación electromagnética emite todas las frecuencias incluyendo la infrarroja, pero algunas frecuencias predominan según la temperatura. Al graficar la intensidad de las ondas electromagnéticas respecto a su frecuencia se logra su distribución espectral o simplemente el espectro, en caso de cuerpos en equilibrio térmico el espectro tiene una forma característica que consiste en una función que crece de forma continua y monótona hasta alcanzar un máximo y luego decrece para altas frecuencias, a mayor temperatura del cuerpo, mayor la frecuencia donde aparece el punto máximo del espectro. La forma teórica del espectro de radiación de un cuerpo en equilibrio únicamente depende del parámetro temperatura, fue descubierta por Max Plank en 1900 y constituyó el comienzo de la mecánica cuántica. La fotosfera del Sol tiene una temperatura de 5000 grados centígrados y se ve de color amarillo por que el pico de su espectro aparece ubicado precisamente en el lugar correspondiente a la longitud de onda del color amarillo, mientras que el cuerpo humano normalmente a 37 grados centígrados se ve sólo en el infrarrojo.
- Pues el universo hace 13 mil millones de años era una bola de fuego de altísima temperatura, emitiendo radiación con espectro correspondiente a esas altas temperaturas, pero debido a la expansión del universo hoy aparece a una temperatura mucho más baja, con el máximo del espectro localizado a la frecuencias correspondiente a las microondas (longitudes de onda del orden de los milímetros).
- Con los datos de la temperatura del cielo provenientes de todas las direcciones, es posible hacer un mapa en la superficie de una esfera que representa al cielo (como un mapamundi) en el cual a cada punto se le asigna una temperatura, ese es el producto final del experimento, y fue allí donde se observaron las anisotropías, en el mapa se observó que hay una región caliente y una región fría diametralmente opuesta, es un efecto llamado dipolo, debido a que ésta sería la componente de segundo orden en una expansión de la temperatura en armónicos esféricos. Normalmente se representan los mapas usando una proyección en un plano. El ecuador del mapa se ha escogido de tal forma que la galaxia se vea alineada en el eje ecuatorial. La naturaleza del dipolo es el efecto de un observador en movimiento que detecta frecuencias de la luz aumentadas en la dirección de movimiento y disminuidas en la dirección opuesta (efecto Doppler de la luz). Aumentar las frecuencias emitidas por un 'cuerpo negro' implica aumentar su temperatura, y viceversa.
- La forma del espectro de estas perturbaciones que se infiere de los datos del COBE es consistente con las predicciones del modelo inflacionario, según el cual el universo ha debido pasar por una época de expansión acelerada. Para probar definitivamente el modelo inflacionario tendríamos que verificar todas las predicciones que éste hace. Una de las más importantes implicaría que el universo hoy estuviera dominado por una forma de materia que no hemos observado (el problema de la materia oscura del universo).
- La información del COBE sirvió para equipar la siguiente misión satelital buscando respuestas del fondo cósmico y sus resultados les valieron la obtención del premio Nobel de física a John Mather y George Smoot, se había logrado probar una de las primeras y más importantes predicciones de la teoría de Big Bang, con su trabajo la cosmología adquirió los galones de disciplina de precisión dejando lo especulativo, superó todo lo anterior y marco un hito en el entendimiento del universo, abriendo un abanico de posibilidades para profundizar mediante estudiar la RCF de qué está hecho el Universo, cuál es la densidad total de materia, si existen o no la materia oscura y la energía oscura y cuándo se encendieron las primeras estrellas.
