Una historia de hace 13 mil millones de años: El fondo cósmico de microondas

Hoy entrevistamos a Eduardo Battaner, un investigador archiconocido en el ámbito académico y también por todo estudiante de Física en la Universidad de Granada. Actualmente ejerce como investigador en el Departamento de Física Teórica y del Cosmos en la UGR, y colabora en otras instituciones de gran relevancia, como el Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional. Estudió en el prestigioso Instituto Max Planck y cuenta en su haber con varios libros publicados de divulgación científica. Este hombre no tiene fin y queremos entrevistarlo en reconocimiento a su carrera y labor como astrofísico. Hoy, ejercerá para nosotros la función de “narrador”: narrador de una historia que ocurrió hace muuuuchos años, casi en el origen de los tiempos. Hablamos del fondo cósmico de microondas.

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¿Qué es fondo cósmico de microondas?

Es una radiación de cuerpo negro muy isótropa que se produjo unos 400.000 años después del Big Bang, cuando el universo estaba a 3000 K (¡unos 2700 ºC de temperatura!) de temperatura. Con la expansión del universo, la radiación se ha ido enfriando y hoy se observa a 2,7 K (casi -270 ºC), y por eso ya no se puede medir en el espectro visible, sino que se mide en microondas, a 100 GHz o en longitud de onda equivalente del orden de 1 mm.

¿De dónde procede?

Proviene de todas partes del espacio. El Big Bang no se produjo en un punto concreto, sino que viene de todas partes, de ahí que se llame isótropa, porque vemos que viene en todas las direcciones que miremos, básicamente. No obstante, hay algunos puntos en que esto no es así, llamados anisotropías. Son pequeñas pero importantes.

¿Por qué se originó?

El universo, según se va expandiendo se va enfriando, entonces los fotones inicialmente estaban metidos en todo el medio en equilibrio termodinámico con las partículas materiales, pero en este momento se produce una recombinación. Antes  de este momento los protones de los núcleos de hidrógeno y helio no estaban juntos con los electrones. Estos se juntaron formando átomos, y los fotones que antes de este proceso interaccionaban con los electrones libres, fluyen libremente por el universo y es lo que vemos hoy.

¿Cómo se puede detectar?

Con telescopios sensibles al microondas. En tierra se emplean radiotelescopios, pero lo mejor es obtener una visión de todo el cielo durante los viajes espaciales. Ha habido hasta ahora tres misiones que han aportados más datos sobre el fondo cósmico: Planck, Wmap y COBE.

¿Está manchada de ruido esta radiación?

Por supuesto, siempre en física toda medida tiene su error, y aquí hay errores intrínsecos o de medida. Como estamos observándola a través de la Vía Láctea, que también emite en esta longitud de onda, hay que descontaminarla. También hay otras fuentes que introducen errores como fuentes puntuales que no se sabía que estaban ahí, y que también hay que descontaminar para obtener la radiación pura.

¿Tiene alguna clase de organización el fondo cósmico? Por ejemplo en esta imagen.

Sí, estas líneas corresponden a la polarización del fondo. Esta luz esta polarizada, y entonces hay zonas donde se ve que la orientación del campo magnético está en estructuras bastante grandes y organizadas.

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En este mapa vemos la Vía Láctea, y que el campo magnético está muy organizado, pero si nos alejamos de ella vemos que esto ya puede corresponder al fondo cósmico de microondas. También vemos que hay ciertas orientaciones, pero esto es ya tan débil que no podemos saber si hemos descubierto la polarización en el fondo cósmico de microondas.

¿Qué crees que hay detrás del fondo cósmico?

Antes había un medio menos continuo formado por partículas de materia oscura, de naturaleza desconocida, protones, núcleos de helio, fotones y neutrinos. Cuando se produce esta recombinación de electrones con los núcleos, los protones se desentienden de este medio y viajan libremente por el espacio.

¿Cómo definirías la anisotropía?

La isotropía es cuando vemos todo igual, en cualquier dirección. Una anisotropía es cuando no vemos lo mismo en las diferentes direcciones. Unas de las anisotropías más llamativas se produce porque la Tierra, el Sol y toda la Vía Láctea nos estamos moviendo con respecto al fondo cósmico de microondas, entonces aquellos fotones que están viniendo hacia aquí los observamos con efecto Doppler desplazados hacia el azul, mientras que los que se alejan se desplazan hacia el rojo. Entonces hay una anisotropía dipolar que indica no algo característico del fondo, sino el movimiento de la vía láctea con respecto al fondo cósmico de microondas. Luego hay otras anisotropías que corresponden a temperaturas de una cienmilésima de grado kelvin y son muy importantes porque nos indican las semillas de lo que luego se convertirá en galaxias, cúmulos de galaxias, etc.

En esta imagen se ven diferentes colores. ¿A qué se deben?

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Son las anisotropías. Precisamente lo rojo indica una temperatura superior a la media, y lo azul señala temperaturas inferiores a la media. Esto es ya descontando la galaxia y la anisotropía dipolar, de modo que observamos el universo 400.000 años después del Big Bang. Estas son anisotropías pequeñas, cuando vemos una parte roja, la temperatura es de media 2,7K, es una cienmilésima de veces más caliente que el resto, y en el azul, lo mismo pero hacia abajo de la media. Esto es lo interesante, porque si fuera una anisotropía perfecta sería un mapa del mismo color y se investigaría en un periquete. Estas anisotropías dan lugar a las galaxias, y sin ellas no estaríamos aquí. Un universo homogéneo, perfectamente isótropo no es compatible ni con galaxias, ni estrellas, ni planetas ni con vida.

¿Con los radiotelescopios se mide la temperatura que había al principio?

Sí, se ve cuál es la temperatura. Pero que hay que descontar lo que se ha ampliado debido a la expansión, lo cual no es teórico. Esto es quizá lo maravilloso, actualmente podemos observar directamente lo que pasó hace tanto tiempo. Y es que en astrofísica, cuando medimos algo lejano, también es muy antiguo en el tiempo. Hay una confusión entre el espacio-tiempo: lo que esta lejos es también muy antiguo.

¿Por qué se ha podido comprobar que el universo es plano a través del fondo cósmico de microondas?

Si el universo no es plano, los rayos que  van curvos, siguen una trayectoria rectilíneas en un espacio tiempo curvo. Si podemos saber el tamaño típico de las anisotropías, las veríamos más grandes si se curvan de una forma o de otra. Si el espacio es abierto hablando en términos relativistas, los rayos se van separando, pero si estamos en un espacio cerrado hacen lo contrario. En un universo plano van rectilíneos, y podemos saber cual es el tamaño de las anisotropías que corresponde al que observamos. Por eso sabemos que el espacio tiempo es plano.

¿Qué significa que la luz está polarizada?

La luz está formada por oscilaciones del campo eléctrico y magnético. Puede estar oscilando en cualquier plano, entonces no observamos ninguna polarización, pero hay ciertos fenómenos que polarizan la luz, y entonces hay algunos planos privilegiados. En la vida diaria la reflexión produce polarización. Uno de los efectos más importantes es que existan campos magnéticos. Precisamente observando la polarización de la luz queremos conocer en nuestro equipo cómo era el campo magnético en tiempos tan primitivos como cuando se emitió esta radiación. Mi labor dentro de la misión Planck, es investigar si hay un campo magnético en el fondo cósmico de microondas, y si hay qué efectos dinámicos ha tenido en la formación de estructuras a gran escala dentro del universo.

¿A qué llamáis los astrofísicos cuerpos negros dentro del fondo cósmico de microondas?

Un cuerpo negro es un concepto genial, no sólo hay cuerpos negros en el fondo, sino también en los laboratorios. Es un concepto ideal, no existe en la realidad. El cuerpo negro más perfecto que se conoce es el del fondo cósmico de microondas. Incluso tú mismo tienes una emisión de cuerpo negro, no es perfecta, pero la tienes. La definición de cuerpo negro es un sistema de fotones en equilibrio termodinámico. ¿Cómo se materializan? Pues lo mejor es una caja, y lo que pase dentro de ella, si los fotones alcanzan el equilibrio ya están en equilibrio. Si destapamos la caja se destruye el cuerpo negro, entonces se practica un agujero muy pequeño y lo que sale por él es lo que veríamos como si estuviéramos dentro de la caja. Nosotros podríamos ver lo que ocurre si nos metemos en el interior de la caja, pero como lo que interesa es ver cómo se comporta al variar la temperatura, pues nos atascaríamos. En el universo no, porque estamos dentro del universo, luego el universo es un cuerpo negro ideal, porque los fotones no pueden escaparse de él. 

¿Cómo pueden los cuerpos negros del fondo cósmico refutar o probar la teoría del Big Bang?

Las otras teorías alternativas no predicen que haya un fondo cósmico de microondas, esto es lo más esencial. Había dos teorías, pero una ya se ha desechado porque no predice ni puede explicar el fondo cósmico. Esta teoría dice que el universo es siempre igual a sí mismo, es eterno, mientras que la teoría del estado estacionario es muy atractiva filosóficamente hablando, pero no concuerda con los datos. En esta teoría el universo no solamente es homogéneo, sino que está siempre en el mismos estado, mientras que en la teoría del Big Bang ha habido un momento inicial y que además se ha expandido. El Big Bang no corresponde a un punto inicial, si el universo es plano como creemos que es, el Big Bang no corresponde a un punto, sino a un estado de densidad infinita y de temperatura infinita.

¿A qué corresponde la siguiente imagen?

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Esto es también lo que se observa en bruto, dominado por la Vía Láctea. Esto del centro es el plano de la Vía Láctea. Lo azul es debido a la galaxia, y lo rojo básicamente es debido a lo que se produjo en un tiempo tan primitivo. Cosas curiosas: ese puntito es la famosa galaxia M31 y este otro son las nubes de Magallanes. Luego vemos que hay emanaciones de las galaxias, esto tan grande que se le llama en inglés North Polar Spur, el gran escupitajo del norte, pero no es que sea grande, es que está muy cerca.

¿Cómo habéis obtenido estos datos, ya que si los superponemos no se ve lo de detrás?

Hemos borrado la Vía Láctea. ¿Cómo es posible? Porque la Vía Láctea tiene dos propiedades que nos permite separar los componentes. Una de ellas tiene que ver con la latitud. Si nos vamos a la imagen anterior vemos que hay mucha diferencia según nos apartamos de la Vía Láctea. La otra fundamental es que la Vía Láctea tiene un espectro distinto, ya que emite de forma distinta en las diferentes longitudes de onda. Emite una radiación sincrotrón. Esto quiere decir que en el seno de un campo magnético, las partículas cargadas describen trayectorias helicoidales, y una hélice significa una aceleración de las partículas cargadas y toda partícula cargada emite una radiación. Esta es la radiación sincrotrón, que se comporta de manera diferente en las longitudes de onda. Y lo aprovechamos para separar los diferentes componentes. En verdad es un proceso complejo, no solo hemos quitado eso, sino también la radiación dipolar del movimiento de la galaxia, y al final queda lo que nos interesa. Para estudiar lo que está lejos es inevitable tener que separarlo, y toda separación conlleva un error, pero luego se obtiene esta maravilla, con mucho más detalle.

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¿Qué representa esta gráfica?

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Esta es la curva de un cuerpo negro. Como ves, no hay una frecuencia, sino que todas son posibles, aunque hay una que tiene el máximo. Esta es la característica principal del cuerpo negro. No hay forma de obtener en un laboratorio un cuerpo negro con una curva tan perfectamente ajustada.

¿Qué es lo que vemos en la imagen?

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Esto es una de las cosas más interesantes que se ha encontrado. Supongamos que hemos quitado la Vía Láctea, y vamos a medir la polarización. Hay formas distintas en que se presentan las estructuras de la polarización, los modos B, y los modos E. Los modos E tienen una disposición radial o circular. Se han encontrado modos E que eran previsibles. Los modos B no se han encontrado. Pero un equipo americano con un telescopio dice que han encontrado modos B, estructuras parecen girar en un sentido u otro, y tiene mucha importancia, porque ellos piensan que solo se pueden producir por las ondas gravitacionales. Estas ondas las predijo Einstein, pero nunca se han encontrado de manera directa. Entonces esto sería la prueba definitiva de que existen ondas gravitacionales producidas en un tiempo de billonésimas de segundo después del Big Bang, en un periodo del universo que se llama inflación y que habrían llegado hasta nosotros. Esto lo dijo un equipo americano, y la misión Planck ha concluido: Que esto es polvo, no ondas gravitacionales. Esto ha provocado una tensión y se ha formado un equipo conjunto para estudiar este experimento para averiguar qué es.

¿Qué podemos observar en esta gráfica?

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Esto es el espectro de potencias angulares. En la segunda imagen que me has enseñado antes había manchas azules y rojas. Imaginemos que queremos saber cuántas manchas hay de cada tamaño, eso se llama el espectro angular. Resulta que el tamaño más frecuente es uno, este otro es menos frecuente y el otro tiene picos. Esto es el espectro, haciendo la estadística de cuántos tamaños hay. Hay una forma de obtener los tamaños típicos de las anisotropías, y esto es una de las cosas que más ha estudiado Planck. Primero, este máximo corresponde a un ángulo de 1 grado, que es el tamaño más frecuente de las anisotropías, se ve que son muy pequeñas. Esto es muy interesante, porque salen con muchos máximos, correspondiendo casi a un sonido, ya que estas anisotropías están formadas por ondas de sonido presentes en el fondo cósmico de microondas. Además como son tan regulares, se parecen más al espectro de una soprano que a un ruido cualquiera, casi podríamos decir que es música.

¿Qué es lo que vemos en esta gráfica?

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En este espectro se han encontrado 7 máximos. ¿La parte que no tiene máximos es que no es sonido? Esto es más interesante porque observamos desde ya las condiciones iniciales en las que se originaron estas anisotropías. A partir de aquí la velocidad de la luz ya es capaz de conectar anisotropías que no estén muy separadas, pero si están separadas por más de 1 grado ya no tienen conexión causal, entonces lo que estamos viendo es el universo más primitivo que se puede imaginar. Esto poquito es tan interesante o más que lo anterior, porque lo que observamos es más primitivo que el fondo cósmico de microondas, las oscilaciones cuánticas que se produjeron en un universo en el momento de la inflación, que es ya lejísimos en el tiempo.

Estas son todas las preguntas de astronomía. Como final nos gustaría que nos explicaras sobre tu trabajo de investigación, los avances llevados a cabo y si comentar algo que no hayamos mencionado o se nos haya olvidado, ¡adelante!

El vehículo de la misión Planck ha dejado ya de medir, pero sus datos están todavía analizando. Los más interesantes van a salir este mismo año, y seguramente para enero del año próximo va a salir una gran cantidad de datos cuyas repercusiones serán fascinantes. Es muy interesante lo que pasa en la Vía Láctea, pero hay otro momento que también interviene en la historia, que es el momento de la reionización, cuando los electrones y los protones se combinaron para formar hidrógeno, para llegar a un momento cuando nacen las primeras estrellas con la radiación ultravioleta que vuelven a ionizar el medio, entonces estamos observando el momento del nacimiento de las estrellas, y esto ha sido lo colosal dentro de Planck, lo que ocurrió en el momento de la reionización. Vamos a poner las cuotas más altas que existen para saber cómo era el magnetismo por aquel entonces. Planck está en un momento clave, saldrán una cantidad de datos impresionantes que además se pondrán a disposición de todo el mundo que quiera. Todo el mundo que haya participado o no en los datos, podrá estudiarlos.

Entrevistado: Eduardo Battaner

Entrevistador: José Manuel Rodríguez

Nota: Esta es ya la segunda publicación de nuestro blog que participa en el Carnaval de la Física, que en el mes de Octubre de 2015, alberga el blog Física e Química en Ribadeo, siendo esta la LXIV edición. Si queréis conocer más acerca de esta iniciativa, aquí os dejamos la página del grupo de Facebook.

Un comentario en “Una historia de hace 13 mil millones de años: El fondo cósmico de microondas

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