LA VISIÓN MÁS ANTIGUA DEL UNIVERSO

09.03

La ilustración, representa la temperatura de la radiación cósmica de fondo en la totalidad de la bóveda celeste. El color negro representa 0° K y el blanco 3° K. Para apreciar diferencias, es necesario contar con detectores capaces de distinguir variaciones de color en alrededor de una parte en diez mil. Esta isotermia, al margen de otorgarle un punto importante a su favor al modelo del Big Bang, ya que no cabe otra explicación de que se trata efectivamente de una radiación antirradiante emitida por la materia cósmica que existía en los primeros tiempos del universo, acarrea para la física un problema complejo: el origen de las galaxias. La textura que observamos para nuestro universo es bastante granular. La densidad media de las galaxias es al menos un millón de veces más elevada que la de los espacios intergalácticos. De esta problemática son muchas las preguntas que saltan al tapete. Sobre algunas de ellas, ya intentamos dar ideas como respuestas en el capítulo N° 3, sección N° 31, pero aquí nos interesa adentrarnos a idear respuestas sobre interrogantes precisas, por ejemplo, cómo se puede explicar el paso del antiguo estado homogéneo a la inhomogeneidad granulosa contemporánea. No nos vamos a meter aquí a estudiar todo lo que implica la gravedad en la estructura del universo, pero sí, previamente, corresponde precisar que si la sustancia fuera perfectamente homogénea, nada la hace que reaccione. Cada partícula, atraída de igual manera por todas las que la rodean, permanece inmóvil. Pero si, por cualquier circunstancia, la materia en un volumen dado ve aumentar levemente su densidad sobre el medio circundante, entonces todo cambia y el proceso empieza… Ahora, para que calce con lo que estamos tratando de explicar, es obvio que se necesitan gérmenes de galaxias. Creemos que la presencia de estas estructuras embrionarias se debieron haber presentado tempranamente en el proceso evolutivo del cosmos. La radiación cósmica de fondo debería revelar con sus características de fósil sus huellas. De ahí la dificultad provocada por su extraordinaria isotropía. Ya, dos años después del descubrimiento de la radiación cósmica de fondo, y con las pilas puestas por parte de los físicos para estudiar el problema, aparece la publicación de un trabajo teórico que se le conoce como «efecto Sachs-Wolfe». En él, se sugiere que los primeros agrupamiento de materia que terminarían por formar las grandes estructuras galácticas que vemos en la actualidad podrían haber producido fluctuaciones de la intensidad de la radiación de fondo en regiones diferentes del cielo. Ello, se debería, básicamente, a que los fotones que nos han llegado desde regiones de mayor densidad de materia tienen que trepar la barrera de potencial, lo que implica que pierdan energía.

Diagrama espacio-tiempo según la RW.-En él, se representa la variaciónf (x) = -GM/r en el momento en que la radiación se desagregó de la materia (superficie del último scattering). Las zonas grises indican agrupaciones de mayor densidad de materia. Pero antes de continuar con la inhomegeneidad observada del universo, retomemos la pregunta que, en el fondo, es la que sustenta el trama de nuestro itinerario: ¿hasta qué temperatura llegó el cosmos en el pasado? A mi entender, lo lógico es pensar que ésta sobrepasó los 3.000° K, lo que daría cuenta de la emisión de una radiación térmica sustancialmente isotrópica. Una respuesta aparentemente muy simple, pero que encierra una hipótesis sobre la temperatura cósmica que permite explica esta observación medular. La «rentabilidad» es un componente importante dentro del que «hacer ciencia». De cada 1.000 fotones que hoy surcan el espacio, 999 viajan desde el Big Bang, es decir, cerca de 411 fotones por cm3 de espacio. Se encuentran distribuidos uniformemente por todo el volumen del universo. ¡ Un espacio lleno de granos de luz ! Tal como ya dijimos, se trata de fotones desgastados energéticamente, fuertemente afectados por la expansión, cuya medición no alcanza a una milésima de electronvoltio. Los fotones amarillos emitidos por el Sol son, en promedio, mil veces más energéticos. Ahora bien, si comparamos la densidad de energía de la radiación cósmica de fondo con la que emite la materia de las galaxias, la primera aparece bastante débil, pese a que el universo contiene alrededor de tres mil millones de fotones por cada nucleón. La materia de las galaxias emite hoy cerca de diez mil veces más energía que la radiación cósmica de fondo. La densidad energética de la radiación corresponde pues a una ínfima fracción de la densidad energética del cosmos. Lo anterior implica que el universo del hoy se encuentra dominado por la materia…Estamos en una «era material». Claro está que lo anterior no fue siempre así. Si aceptamos como viable a la teoría del Big Bang, ello nos demanda a pensar que con el tiempo y la expansión del espacio, las densidades decrecen, lo que implica que la densidad de la radiación disminuyera más rápidamente que la densidad de la materia. Recordemos que en los primeros tiempos, la energía lumínica dominaba el escenario cósmico. Esta «era radiactiva» fue de corta duración (de unos 300.000 años), comenzando algo después la emisión de la radiación cósmica de fondo. La temperatura era entonces de alrededor de 1010° K. El valor preciso depende de la densidad de materia actual, que puede ir desde 0,7 a 1,5 veces la densidad crítica. Ahora, continuando con el fenómeno de la inhomogeneidad, señalemos que estudios acaecidos en los finales de la década de 1960 pronosticaban variaciones de la temperatura de la radiación cósmica de fondo. Se proyectaban que éstas pudieran alcanzar del orden de hasta un 1%. Pero hoy sabemos que la cosa no es así. El universo es mucho más homogéneo de lo que se estimaba. Pero a la radiación cósmica de fondo sí se le han podido detectar pequeñas diferenciaciones regionales en su temperatura. El movimiento de la Tierra en el espacio.- La imagen de arriba, corresponde a tomas no corregidas hechas por el satélite COBE de la bóveda celeste. La variaciones de intensidad y color corresponden a variaciones de temperatura de la radiación cósmica de fondo en diferentes espacios del cielo. La zona roja, arriba a la derecha de la imagen, está más caliente que la media en alrededor de una milésima de grado. El movimiento de la Tierra en relación a la radiación cósmica provoca esta diferencia. Se mide su velocidad en 620 km/s en la dirección de las constelaciones de la Hidra y del Centauro. Ya, en el año 1969, Conklin logró detectar variaciones del tipo de anisotropía dipolar. Estas variabilidades fueron posteriormente ratificadas y evidenciadas en un mapa elaborado por el satélite COBE (COsmic Background Explorer) a un rango de una parte por cada cien mil, después de su lanzamiento al espacio, en el año 1988. Estas variaciones anisotrópicas –llamadas «efecto Sachs -Wolfe»– tienen su origen en el movimiento del Sistema Solar y la expansión del universo con respecto a un sistema comóvil. Imaginémonos que vamos a analizar a la radiación cósmica de fondo a bordo de un cohete que puede alcanzar una velocidad cercana a la de la luz. ¡La isotermia ha desaparecido! Delante de nosotros, el espacio está caliente; detrás, frío. Pero, ¿qué ocurrió? Sucede que nuestro movimiento hacia las partículas que han emitido esta radiación provoca un aumento considerable de la energía de los fotones. Se trata del efecto Doppler que, a su vez, nos proporciona la medición de nuestra velocidad. De forma premeditada, he omitido hasta ahora un punto importante: la radiación cósmica de fondo presenta una asimetría análoga, es decir, un poco más caliente en una cierta dirección, un poco más fría en la dirección opuesta. La diferencia es de 3,4 milésimas de grado K (ver la figura de la izquierda). De este modo, se puede medir la velocidad de la Tierra en el cielo. Nos desplazamos a razón de 620 km/s en la dirección de las constelaciones de la Hidra y del Centauro. ¿Significa esto que hemos medido el movimiento «absoluto» de la Tierra? De ninguna manera. Sabemos, por el legado de Galileo y Einstein, que no hay movimiento absoluto. Existe desplazamiento con relación a un punto de referencia que, por convención, se supone inmóvil. El sistema de referencia, en este caso, es el conjunto de las partículas emisoras de la radiación cósmica de fondo. La Tierra se desplaza a 620 km/s con relación a estas partículas. El movimiento de la Tierra alrededor del Sol.- La temperatura de la radiación cósmica de fondo muestra una leve variación estacionaria. En ordenadas: la variación de la temperatura alrededor del valor medio en milésimas de grado K. El movimiento de la Tierra alrededor del Sol (30 km/s) ha cambiado de dirección entre las dos estaciones. Espectro de la radiación cósmica de fondo.- Corresponde a un cuerpo caliente que hoy tiene una temperatura de 2,73° K. Resumiendo, tenemos que la temperatura actual, medida por el satélite COBE de la radiación cósmica de fondo, es de 2,73° 'K. La luz emitida por un cuerpo que lo hace por radiación térmica tiene características muy definidas. La variación de la intensidad de la luz como función de la frecuencia, el espectro de la radiación, tiene una forma típica que se conoce como el de un «cuerpo negro» a la temperatura del cuerpo emisor. En el caso de la radiación cósmica de fondo, el satélite COBE determinó su espectro con gran precisión (fig. de la derecha), aclarando su origen térmico más allá de toda duda. Como sabemos que la temperatura de emisión de la radiación de recombinación es de unos 3.000° y se recibe hoy a tan baja temperatura, esta diferencia permite calcular el factor de expansión entre la época de recombinación y la nuestra, R(t=hoy)/R(t =recombinación) = 1.200. 0 sea, el corrimiento al rojo de la época de recombinación es z=1.200. Equivalentemente, este factor se traduce en una edad cósmica de 200.000 años para el periodo de la recombinación y emisión de la radiación cósmica de fondo. Ahora bien, la información que nos entrega el análisis de la radiación cósmica de fondo es muy rica. Ella proviene de una época primitiva y ha atravesado todo el universo visible. Su luz ha iluminado los objetos existentes en cada época y ha sido influenciada por las estructuras en formación y también por otras más cercanas. Pero el potencial de información puede ser más exacto y mayor, si se consigue la precisión requerida de las mediciones. Recién se están empezando a aprovechar estas posibilidades, por medio de los resultados del COBE y otros instrumentos, que dejan entrever inmensas posibilidades. En primer término, la perfección del espectro observado por el COBE indica que no han ocurrido procesos globales que hubieran generado grandes cantidades de radiación con posterioridad a la época de recombinación, cuya luz se superpondría a la original, distorsionando su espectro. Esto echó por tierra ciertas hipótesis sobre continuas explosiones que se hubieran producido al nacer las primeras estrellas. El otro efecto interesante es el que ya describimos sobre el movimiento de la Tierra y que igual vale con la velocidad de nuestra región del universo. En general puede decirse que el movimiento de nuestra galaxia, incluyendo al sistema solar, puede medirse con respecto a otras galaxias, que forman un marco de referencia. Pero, y si ellas también están en movimiento, ¿podríamos medir el nuestro en forma más general, más intrínseca? La relatividad dice que no es posible medir movimientos absolutos, pero sí respecto de algún marco, si existe, que sea más global que las galaxias a nuestro alrededor. La radiación cósmica fue emitida en forma isotrópica, por lo que debiera llegar también con igual intensidad y características desde todas direcciones. Por esta razón, puede constituir un marco de referencia global. Por supuesto, la radiación tiene siempre la velocidad de la luz, pero un movimiento produce efecto Doppler, que es medible en la frecuencia recibida, o lo que es equivalente, en la temperatura observada de la radiación en distintas direcciones. Una imagen de las mediciones realizadas por el COBE sobre la intensidad de la radiación cósmica de fondo sobre todas las direcciones del cielo. La intensidad con forma dipolar representa una ligera diferencia de temperatura debida a un efecto Doppler con una velocidad de 620 km/s. Las observaciones muestran que la radiación cósmica no llega en forma exactamente isotrópica, sino que en una dirección particular se ve ligeramente más caliente y en la opuesta algo más fría (img. de la izquierda ), con una distribución especial de temperaturas en el cielo, de una forma llamada dipolar. La interpretación de estas diferencias asigna su causa al movimiento de la Vía Láctea hacia la dirección en que la radiación aparece más caliente, o con menor longitud de onda, por efecto Doppler. Nuestra velocidad de movimiento con respecto a la Radiación Cósmica es de 620 km/s, que debe ser la combinación del movimiento del Sol en nuestra galaxia (250 km/s), y de ésta junto a las vecinas, hacia una dirección dada. Se especula que el origen del movimiento sería la atracción sobre las galaxias de nuestro entorno producida por la existencia de una gran cantidad de masa a unos 100 millones de años-luz en esa dirección, cuya existencia se está investigando. Al margen de la distorsión dipolar que hemos descrito, la radiación cósmica de fondo o radiación antirradiante tiene una intensidad en diferentes direcciones que es prácticamente constante. Esto indica que el universo, a una edad de 200.000 años, estaba casi a la misma temperatura y densidad en todas partes. Ello también indica que en el tiempo que tomó la radiación en llegarnos (prácticamente toda la edad del universo), no ha sido mayormente distorsionada por otros efectos. La radiación cósmica de fondo vista por el COBE.- La imagen muestra una elipse de la bóveda celeste extendida en un plano. Los datos obtenidos por el satélite COBE están registrados en el plano, en el cual se ha sustraído el efecto dipolar que comporta la figura inmediatamente anterior. Quedan pequeñas irregularidades del orden de 10-5 en intensidad, con escalas angulares que van desde entre 10° y 30° (escalas de intensidades ajustadas para destacarlas, comparadas con la figura anterior). Por otra parte, las pequeñísimas fluctuaciones, que habíamos hecho ya mención, descubiertas por el equipo del COBE de la radiación cósmica de fondo (fig. de la derecha), tienen su origen en irregularidades de masa, que crean pequeñas variaciones de densidad y temperatura en la época de recombinación, que son las semillas de la formación de los grandes conglomerados de galaxias. Es como contar con un fósil que representa a las estructuras del universo cuando éste tenía 200.000 y 300.000 años de edad, de las cuales se derivan galaxias, cúmulos, supercúmulos y vacíos. El COBE muestra irregularidades de gran extensión, de tamaño angular entre lO° y 30° (las únicas que podía detectar) y bajas amplitudes del orden de una diez milésima parte en intensidad, o sea, menor o igual al 0.01%. El tamaño de las irregularidades ya observadas implica un problema, ya que hoy deben representar estructuras con tamaños mayores que 1.000 millones de años-luz, mucho más extensas que las mayores observadas. Lo último corresponde a lo mucho que nos queda por saber sobre el universo. No obstante lo anterior, deben existir irregularidades de menores tamaños que correspondan a cúmulos de galaxias y a galaxias futuras, con dimensiones angulares entre fracciones de minutos de arco y grados. En general, en la última superficie de emisión deben registrarse irregularidades simultáneas en muchas escalas, como sucede con los oleajes de un mar rizado, donde hay olas chicas que se superponen a olas de mayor y de gran longitud de onda, y todas ellas con diversas amplitudes. Hay varios experimentos en curso y otros por iniciarse para detectarlas, entre ellos el lanzamiento de dos nuevos satélites en los próximos dos años y otros que se llevan a cabo en el norte de Chile. El estudio de estas superposiciones dejará como subproductos medidas independientes de la densidad de masa del universo y de otros parámetros de sus modelos posibles. En la actualidad, son varios los grupos de investigadores que han anunciado nuevas mediciones sobre la radiación cósmica de fondo acompañadas de los correspondientes subproductos, pero es una cuestión que la he dejado para tratarla en una próxima actualización.

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