Descubrimiento del fondo cósmico

A partir de 1948, el cosmólogo estadounidense George Gamow y sus compañeros de trabajo, Ralph Alpher y Robert Herman, investigaron la idea que los elementos químicos podrían haber sido sintetizados por reacciones termonucleares que tuvieron lugar en una bola de fuego primigenia. Según sus cálculos, la alta temperatura asociada con el universo temprano habría dado lugar a un campo de radiación térmica, que tiene una distribución única de intensidad con longitud de onda (conocida como ley de radiación de Planck), que es una función únicamente de la temperatura. A medida que el universo se expandía, la temperatura habría disminuido, y cada fotón se habría desplazado al rojo por la expansión cosmológica a una longitud de onda más larga, como ya lo había demostrado el físico estadounidense Richard C. Tolman en 1934. En la época actual, la temperatura de radiación habría caído a un nivel muy bajo. valores, alrededor de 5 kelvin por encima del cero absoluto (0 kelvin, o -273 ° C) según las estimaciones de Alpher y Herman.

El interés en estos cálculos disminuyó entre la mayoría de los astrónomos cuando se hizo evidente que la parte del león de la síntesis de elementos más pesados que el helio debe haber ocurrido dentro de las estrellas en lugar de en un Big Bang caliente. A principios de la década de 1960, los físicos de la Universidad de Princeton, Nueva Jersey, así como de la Unión Soviética, retomaron el problema y comenzaron a construir un receptor de microondas que pudiera detectar, en palabras del clérigo y cosmólogo belga Georges Lemaître, » desapareció el brillo del origen de los mundos «.

Sin embargo, el descubrimiento real de la radiación relicta de la bola de fuego primigenia ocurrió por accidente. En experimentos realizados en relación con el primer satélite de comunicaciones Telstar, dos científicos, Arno Penzias y Robert Wilson, de Bell Telephone Laboratories, Holmdel, Nueva Jersey, midieron el exceso de ruido de radio que parecía provenir del cielo de una manera completamente isótropa (es decir, el ruido de radio era el mismo en todas las direcciones). Consultado a Bernard Burke del Instituto Tecnológico de Massachusetts, Cambridge, sobre el problema, Burke se dio cuenta de que Penzias y Wilson probablemente habían encontrado la radiación de fondo cósmica que Robert H. Dicke, PJE Pe Ebles y sus colegas de Princeton planeaban buscar. En contacto entre sí, los dos grupos publicaron simultáneamente en 1965 artículos que detallaban la predicción y el descubrimiento de un campo de radiación térmica universal con una temperatura de aproximadamente 3 K.

Las mediciones precisas realizadas por el satélite Cosmic Background Explorer (COBE) lanzado en 1989 determinaron que el espectro era exactamente característico de un cuerpo negro a 2.735 K. La velocidad del satélite sobre la Tierra, La Tierra sobre el Sol, el Sol sobre la Galaxia y la Galaxia a través del universo en realidad hace que la temperatura parezca un poco más alta (aproximadamente una parte en 1000) en la dirección del movimiento en lugar de alejarse de él. La magnitud de este efecto, la llamada anisotropía dipolar, permite a los astrónomos determinar que el Grupo Local (el grupo de galaxias que contiene la Vía Láctea) se mueve a una velocidad de aproximadamente 600 km por segundo (km / s; 400 millas por segundo) en una dirección que está a 45 ° de la dirección del cúmulo de galaxias de Virgo. Dicho movimiento no se mide en relación con las galaxias en sí (las galaxias Virgo tienen una velocidad media de recesión de unos 1.000 km / s con respecto al sistema de la Vía Láctea), sino en relación con un marco de referencia local en el que la radiación de fondo de microondas cósmica aparecen como un espectro de Planck perfecto con una sola temperatura de radiación.

El satélite COBE llevaba a bordo instrumentación que le permitía medir pequeñas fluctuaciones en la intensidad de la radiación de fondo que serían el comienzo de la estructura (es decir, galaxias y cúmulos de galaxias) en el universo. El satélite transmitió un patrón de intensidad en proyección angular a una longitud de onda de 0.57 cm después de restar un fondo uniforme a una temperatura de 2.735 K. Las regiones brillantes en la parte superior derecha y las regiones oscuras en la parte inferior izquierda mostraron la asimetría del dipolo. Una franja brillante en el medio representaba un exceso de emisión térmica de la Vía Láctea. Para obtener las fluctuaciones en escalas angulares más pequeñas, fue necesario restar tanto el dipolo como las contribuciones galácticas. Se obtuvo una imagen que muestra el producto final después de la resta. Los parches de luz y oscuridad representan fluctuaciones de temperatura que ascienden a aproximadamente una parte en 100.000, no mucho más alta que la precisión de las mediciones.Sin embargo, las estadísticas de la distribución de las fluctuaciones angulares parecían diferentes del ruido aleatorio, por lo que los miembros del equipo de investigación de COBE encontraron la primera evidencia de la desviación de la isotropía exacta que los cosmólogos teóricos predijeron durante mucho tiempo que debía existir para las galaxias y cúmulos de galaxias para condensarse a partir de un universo sin estructura. Estas fluctuaciones corresponden a escalas de distancia del orden de 109 años luz de diámetro (aún más grandes que las estructuras materiales más grandes vistas en el universo, como el enorme grupo de galaxias denominado la «Gran Muralla»).

La sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) fue lanzada en 2001 para observar las fluctuaciones observadas por COBE con mayor detalle y sensibilidad. Las posiciones al comienzo del universo dejaron su huella en el tamaño de las fluctuaciones. Las medidas precisas de WMAP mostraron que el universo primitivo era 63 por ciento de materia oscura, 15 por ciento de fotones, 12 por ciento de átomos y 10 por ciento de neutrinos. Hoy en día, el universo es 72,6 por ciento de energía oscura, 22,8 por ciento de materia oscura y 4,6 por ciento de átomos. Aunque los neutrinos son ahora un componente insignificante del universo, forman su propio fondo cósmico, que fue descubierto por WMAP. WMAP también mostró que las primeras estrellas del universo se formaron quinientos millones de años después del Big Bang.