El Big Bang y la radiación cósmica de fondo

Uno de los hechos que interesan mucho a los físicos, sobre todo a los astrofísicos y a los físicos teóricos es el Big Bang, De todos aquellos que estudiamos que pudo haber antes, que hay ahora y que puede haber después de dicho evento tan importante en nuestro universo, los cosmologos observacionales son unos seres especiales que estudian nuestro universo, si historia y evolución a través de la observación del mismo.

Todo gracias a que estas personas han desempeñado un papel trascendental por los problemas a los que tienen que enfrentarse y por eso, desde aquí, quiero rendirles un pequeño homenaje.

Un inciso. Yo no suelo poner ecuaciones porque las veo muy engorrosas y más para el que de estos artículos y no quiero perder vuestra atención, pero recordad que podéis preguntarme y me explayare con todas las ganas. Ademas, os recuerdo que soy un poco “abuelo” y me voy por las ramas, algo que espero os haga más interesante el articulo.

Problemas que otro físico no se encuentra como que un cosmologo observacional no puede repetir el experimento, no puede preparar el universo de modo que puede re hacer el experimento todas las veces que quiera para poder eliminar errores, ya sea de calculo o medición lo que les convierte en unos valientes, a la par que tarados, al, muchas veces tener que fiarse de su intuición.

Un claro ejemplo de lo que ha dado su intuición (y las matemáticas) fue el descubrimiento de la energía oscura (y la materia oscura).

El gravisimo problema al que se enfrentan es, como he dicho, saber si los datos obtenidos son reales, casuales o un mero problema de medición. ¿Como saber que son casuales?. Vamos a poner un ejemplo al revés un dato que es una mera casualidad y que no es una norma y por lo tanto es fruto del azar.

Es casualidad que el Sol y la Luna estén situados a tal distancia de la Tierra que, actualmente, en un eclipse, la Luna tape exactamente el Sol dejando ver su corona (y ayudando a estudiarla). Vamos, que no hay ninguna ley que haga que los satélites estén a esa distancia y si una mera casualidad (afortunada) de que en la Tierra sea así. Y más a sabiendas de que la Luna se aleja de la Tierra debido a que pierde energía ya que tiene que, en la Tierra, crear mareas y esto… es un coste energético. Dando mayor casualidad que, en el momento en el que vivimos tengamos tan gran casualidad.

Como he dicho, los cosmologos observacionales se dedican a ver el desarrollo e historia de nuestro universo y entre otras cosas lo hacen gracias a ver la expansión de este. ¿Como lo hacen?, pues a través de la radiación de fondo y midiendo la distancia de un estandar, la explosión de una supernova tipo Ia de la cual se sabe que la luz que emite es siempre la misma.

La radiación de fondo de microondas, algo que seguro que habéis oído y habéis visto la foto sin que nadie os la explique (cosa que os voy a hacer ahora), procede del universo caliente, cuando era una bola de plasma gorda de alrededor de 4000 grados centígrados. Y es que, antes de eso, al ser el universo tan denso, fotones y ciertas longitudes de ondas eran incapaces de escapar del interior de este ya que todo estaba ahí muy apretadito. Un ejemplo es intentar salir de un vagón del metro, de la parte del centro en hora punta, que salir, sales, pero te pasas el tiempo chocando con gente hasta que logras tu objetivo. Pues el universo, después del Big Bang le pasaba lo mismo, fotones y energía era incapaz de salir al golpearse por lo apretado que estaba, hasta que se expandió y enfrió lo suficiente para poder salir.

Por aquel entonces, la gravedad de esa masa no había formado nada y por lo tanto la distribución de la materia era “más o menos uniforme”, recalcando el más o menos. Este más o menos, con la expansión culmino en diferentes zonas de presiones y densidades que son las que han creado las galaxias.

Estas “fluctuaciones” aun se pueden medir. Y diréis ¿como y porque?. Voy a ponerme un poco cebolleta y me voy a salir de la tangente, pero ayuda a la explicación. Algo muy importante y que, aun se desconoce, es la topología del universo, que forma tiene. No sabemos la forma que realmente tiene pero si sabemos que el universo es homogéneo, vamos, que es igual por todos los lados. Se sabe que nada de lo que esta dentro puede escapar de el, es decir, que no tiene bordes, que tu puedes tirar “recto” todo lo que quieras que no te vas a salir del universo por mucho que andes, al igual que en la Tierra donde tu puedes andar por su superficie indefinidamente que no te vas a salir de ella ya que la topología es esférica (chiste físico que contabamos en mis tiempos de carrera: ¡corre corre torcuaz que la topología es esférica!). Puede ser una esfera, plana, algo curva (de forma que si llegas al borde sigues por debajo) o una cinta de Meobius y nosotros la hormiga que anda encima.

Entonces la energía (radiación) que se ha escapado del Big Bang aun se puede medir ya que esta dando vueltas aun por el universo, al igual que la luz (y por lo tanto medir la distancia de una estrella y su posición tiene su complicación al no saber si estamos viéndola directamente o la luz rebotada que ha dado la vuelta por el universo… ¿curioso verdad?).

El caso es que Ralph Alpher y Robert Herman en 1947 anunciaron que, justamente, debía de, por el Big Bang existir una radiación electromagnética (microondas) pululando por el universo y la calcularón con gran precisión (5 Kelvin) aunque no fue hasta 1965 con Arno Penzias y Robert Wilson que tuvieron la tecnología para medirla demostrando por la dispersión en cuotas de la energía que se cumplía la formula de Plank del cuerpo hueco permitiendo considerar el universo como lo que es, un cuerpo hueco cerrado sobre si mismo.

El fondo cósmico, como toda radiación, depende de las frecuencias, es decir, que la temperatura del fondo de microondas (recordad que uso una u otra frase para lo mismo) depende de la temperatura de la radiación térmica.

Entonces, las anisotropías que se observan en la radiación de fondo nos dan mucha información de los primeros tiempos del universo, como por ejemplo, el como, la forma en que se libero radiación cuando el universo se enfrió, el como la gravedad creo “grumos” en la densidad de la sopa tras el Big Bang y, por el tamaño, que este periodo de rápida expansión fue corto, con lo que se puede ver que el universo se expande o se ha expandido a diferentes velocidades, a veces más rápido a veces más lento y que ahora toca otra etapa rápida.

Además, gracias a las ecuaciones de Einstein (que tiene más aparte de la famosa de la relatividad y la de la energía) se pueden hacer modelos de la distribución de la materia y, hacer modelos de como era, es y sera la expansión del universo.

¿Y por que se expande el universo?. Bueno, aquí vuelvo a ser un poco abuelo cebolleta, así que calma. Como creo que os he contado con la teoría de cuerdas, el espacio en si, esta formado por cuerdas (y no voy a entrar en la simplificación de la gravitación cuántica de bucles) donde, el espacio crece cuanto más cuerdas se creen. El espacio en si, es como una esponja y, admite en el cierta cantidad de energía. Si existe más energía que la que cabe en el espacio (recordad, es como si a una esponja le metes más agua), crece. Y si la esponja, pudiera crecer “indefinidamente” tendríamos nuestro universo. Es decir, en el Big Bang había tanta energía que no cabía en el espacio que albergaba con lo que la consecuencia lógica es una expansión.

Volviendo al tema de la radiación de fondo, la dispersión del espectro, como se observa tiene un máximo (y unos minimos). ¿Que es esto?. La curvatura del espacio porque, la gravedad curva cualquier cosa, hasta las ondas de una radiación (la luz lo es, recordad).

El dato que es curioso es que la curvatura del espacio no es siempre constante, puede ser positiva, negativa o neutra (un plano) pero, a nuestra escala, el espacio prácticamente no tiene curvatura, es plano. Con lo que, o el universo es muy grande (y al igual que en la Tierra no vemos la curvatura de la misma) o la topología no es esférica.

Lo bueno de la imagen que os he puesto es que los picos parecen contradecir con la cantidad de materia que existe salvo que, exista un tipo de energía desconocida que no provoque gravedad y por lo tanto los “grumos” pero que sea importante por la curvatura gravitacional que genera… ¿y que es ese tipo de energía?… la energía oscura. Es decir que los picos en el espectro de radiación de fondo nos dan la idea de la existencia de la energía oscura por la curvatura, que cosas.

Pero no solo eso, la masa no atribuible a la energía oscura es mucho mayor que la materia que podemos ver, con lo que, ademas de la energía oscura hay algo más ahí, otro tipo de energía, la materia oscura.

Es decir, que de la imagen de radiación de fondo se han sacado unas conclusiones la mar de interesantes.

Ahora bien, por última vez, se supone que la materia oscura es una vibración de unas cuerdas (teoría de cuerdas, recordad) determinadas que vibran tan poco que hace que sean imposibles de ver y de medir directamente (por ahora, ya que no tenemos la tecnología para ver la vibración de una cuerda… ni para verla) y que no emite radiación (o no la suficiente para captarla), pero que gracias a ciertas observaciones como la polarización de la radiación de fondo sabemos no solo que esta ahí sino que nos permite ver sus efectos gravitatorios al polarizar la radiación de fondo. Esto, ademas, ha ayudado a los chicos del LIGO, famosos por haber detectado ondas gravitatorias a pensar que gracias a sus detectores se pueden extraer ideas sobre la intensidad de las ondas gravitatorias en tiempos remotos (Big Bang, recordad) y poder aun captarlas, medirlas y saber como funciono el universo en aquellas épocas.

Y si has llegado aquí leyendo, eres un valiente y te mereces todos mis respetos y disculpas por semejante tostón que te has tragado.

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