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Saludos, internautas. ¿Sabías que hay algo invisible a nuestros ojos que nos envuelve? No es el aire, ni el campo magnético de la Tierra, ni siquiera la luz del sol. Es algo mucho más antiguo.
Imagina que pudieras apagar todas las estrellas del cielo. No solo el sol, no solo las galaxias, absolutamente todo. Aún nos quedaría una radiación débil, fría. Silenciosa, pero universal. Llega desde todas las direcciones todo el tiempo y ha estado aquí desde antes de que existieran las estrellas. Es tan uniforme que durante años nadie notó que existía.
El fondo cósmico de microondas es la primera luz del cosmos, la radiación que nos viene del pasado y es uno de los descubrimientos más importantes de la historia de la ciencia y sustenta la teoría del Big Bang. Pero, ¿cómo sabemos que el fondo cósmico de microondas está ahí? ¿De qué está compuesto? ¿Y qué hay más allá? Si quieres entender de dónde venimos y hacia dónde vamos, tienes que ver esto.
Me llamo Juanjo Muñoz y estás viendo Astronomía Web. El fondo cósmico de microondas o CMB por sus siglas en inglés es la radiación fósil del Big Bang, un eco de aquel instante inicial que dio origen al universo. No se trata de una instantánea de aquel suceso, algo imposible, dado que el cosmos primigenio fue un plasma opaco durante sus primeras etapas. Así pues, el CMB nos muestra una imagen del universo cuando habían pasado unos 380,000 años desde su origen.
¿Y por qué no la vemos? Ese fondo es la primera luz del universo y aún no se ha apagado. La descubrimos hace relativamente poco tiempo, unos 60 años. La razón es que es increíblemente débil y está a 2,725 Kelvin. Esos son solo 2,7 grados sobre el cero absoluto. La atmósfera de la Tierra la absorbe y distorsiona, por si fuera poco, su luz no está en el rango del espectro visible. Nuestros ojos solo detectan una pequeña franja del espectro electromagnético, la llamada luz visible, que va aproximadamente de 400 a 700 nanómetros de onda violeta a rojo. En cambio, el CMB tiene una longitud de onda mucho mayor, en el rango de los milímetros y, por tanto, pertenece a la categoría de la radiación de microondas.
Solo cuando las tecnologías de radio y microondas se desarrollaron lo suficiente lo pudimos detectar, y lo más curioso es que fue un hallazgo accidental. En 1948, George Gamow, Robert Alfer y Robert Hermann calcularon que si el universo nació de un punto caliente que luego se expandió, el Big Bang, debería existir una radiación remanente. Estimaron correctamente su temperatura, 5 Kelvin. Pero la predicción no fue tomada en serio por gran parte de la comunidad científica.
En 1964, dos ingenieros de telecomunicaciones, Arno Penzias y Robert Wilson, trabajaban con una enorme antena en Nueva Jersey. Su objetivo: limpiar la señal de radio para experimentos de comunicación por satélite. Aunque había un problema. Una especie de ruido constante aparecía en todas las direcciones. No importaba hacia dónde apuntara la antena. El sonido seguía ahí y pensaron que era una interferencia terrestre. Luego sospecharon de excremento de palomas en la antena. Lo limpiaron todo y el ruido no desaparecía. Estaba en todas partes. Era constante, muy persistente. Lo que no sabían era que habían tropezado con el eco del Big Bang.
Tras analizar los datos, Penzias y Wilson comprobaron que en el receptor persistía un ruido misterioso, 100 veces más intenso de lo esperado. Este ruido era visible en todo el firmamento y estaba presente tanto de día como de noche. Una vez consideradas y desechadas diversas explicaciones, llegaron a la conclusión de que debía tratarse de ruido procedente de más allá de nuestra galaxia. Esta imagen es una simulación de la señal obtenida por Penzias y Wilson en 1964, la primera versión disponible del fondo cósmico de microondas. Esa señal, ese ruido extraño no era un error. Era la confirmación de que el universo tuvo un comienzo caliente y denso, la prueba observacional más fuerte a favor del Big Bang, y lo mejor, no fue descubierta por astrónomos, sino por ingenieros que intentaban resolver un problema técnico. Penzias y Wilson ganaron el Premio Nobel en 1978, aunque ellos mismos no entendieron completamente lo que habían encontrado al principio.
Desde entonces nos entusiasmamos por saber más de estos inicios. Satélites como Cobe, WMAP y Plank han medido el fondo cósmico de microondas con una precisión asombrosa. Cuando apuntamos satélites especiales al cielo, lo que obtenemos es una imagen del universo bebé. Con solo 380,000 años de edad. Lo que vemos no es un cielo estrellado, es un óvalo lleno de puntos de colores. Es como una imagen térmica distorsionada. No es arte, es ciencia pura, un mapa de temperatura. Y cada punto representa variaciones minúsculas en la temperatura del fondo cósmico. Diferencias de solo una parte en 100,000. Son tan pequeñas y, sin embargo, tan importantes. Esas pequeñas variaciones no son ruido, son las primeras arrugas del universo, zonas con un poco más de materia o un poco menos. Y con el tiempo esas diferencias crecieron por la gravedad, atrayendo más materia. Esas arrugas son las semillas de las galaxias, las estrellas, los planetas y de nosotros mismos. En otras palabras, si el fondo cósmico hubiese sido completamente uniforme, no estaríamos aquí.
El fondo cósmico de microondas no solo es una imagen bonita, es como una huella digital del universo primitivo. Contiene información precisa. Los datos del satélite Planck nos confirmaron la edad aproximada del universo: unos 13,800 millones de años. Su composición: 5% de materia normal, 27% de materia oscura, 68% de energía oscura. Su geometría es prácticamente plana y su expansión incluye la tasa de expansión conocida como constante de Hubble. Y todo esto a partir de una luz invisible a nuestros ojos. Sí, así es. Aquí se hizo la luz, esta imagen antigua, esa radiación que aún nos llega desde todas partes. Es el retrato más antiguo que tenemos del universo.
Pero, ¿qué es realmente esta luz? La luz del fondo cósmico de microondas está formada por fotones, las partículas fundamentales de la luz. Lo más curioso es que en los primeros momentos, justo cuando se liberó esa luz, la radiación no estaba en microondas, sino en luz visible o incluso más energética. Con una temperatura de 3,000 Kelvin, eso le daba un aspecto ocre brillante. Aunque estos fotones no son como los que salen de una linterna o una estrella, han viajado durante 13,800 millones de años, estirándose a medida que el universo se expandía. Eso los volvió cada vez más fríos y menos energéticos. Hoy estos fotones tienen una temperatura promedio de 2,725 Kelvin. Eso es apenas -270º C, muy cerca del cero absoluto. Cuando el universo se expandió, su longitud de onda cayó en la parte de las microondas del espectro electromagnético, una zona muy por debajo de lo visible para nuestros ojos. Sin embargo, esos fotones no son débiles. En cada centímetro cúbico del universo hay más de 400 millones de estos fotones. Están por todas partes y pasan a través de nosotros cada segundo. Vivimos literalmente dentro de un baño de luz fósil.
El fondo cósmico es como una niebla muy lejana que cubre todo. Cuando lo observamos, no estamos viendo objetos, sino una distancia máxima. El lugar más lejano desde donde puede llegarnos su luz. Ese límite se llama la superficie de la última dispersión. Es el horizonte de la luz, el momento en que el universo se volvió transparente. No podemos ver más allá de ese punto usando luz, porque antes de eso el universo era opaco, como una sopa densa de partículas y radiación. Es como mirar el fondo de una piscina lechosa. ¿No ves lo que hay detrás? Aunque sí la superficie donde la claridad comienza.
El fondo cósmico de microondas es la piedra angular del modelo estándar del universo. Gracias a él, los científicos pueden construir teorías sólidas sobre la evolución cósmica, desde el Big Bang hasta la formación de galaxias. Es como tener el plan original de un edificio con el que podemos entender cómo se levantó y cómo funciona.
Hasta aquí todo bien, pero este descubrimiento planteó un problema: el problema del horizonte. El CMB es casi igual de caliente en todas partes del cielo. Esas regiones estaban tan lejos que no podían hablar entre sí. Y esto es porque la luz no tuvo tiempo de viajar entre ellas. Entonces, ¿cómo se pusieron de acuerdo? Esto fue un gran misterio. Hay un problema de la planitud. El universo parece muy plano. Es como una hoja de papel perfecta, aunque según la física, esto es como lanzar una moneda y que salga cara 100 veces seguidas. ¿Y por qué está tan perfectamente plano? Hemos detectado pequeñas manchas del CMB y la conclusión es que el fondo cósmico de microondas no es totalmente uniforme. Tiene pequeñas diferencias. Estas fueron las semillas de galaxias y estrellas. ¿De dónde salieron? Otro enigma a resolver. La solución que se ha dado es mediante la teoría de la inflación cósmica, que propone que el universo se expandió superrápido justo al principio, explicando estos problemas. Gracias a la inflación, regiones muy lejanas pudieron ponerse de acuerdo. El universo quedó plano y las pequeñas fluctuaciones nacieron de vibraciones cuánticas estiradas.
El fondo cósmico de microondas lo cambió todo y nos ayuda a comprender el universo a gran escala. Sin el descubrimiento de esa radiación se podría pensar que el universo es eterno, sin un inicio definido, o que siempre ha estado en un estado estacionario, sin expandirse ni cambiar en esencia.
¿Y cómo podemos interpretar este mapa? Imagina que tienes una masa de pan que estás amasando. Al principio la masa parece uniforme y lisa, sin grandes bultos. Aunque si miras muy de cerca, verás pequeñas irregularidades, unos pocos grumos, unos pequeños huequitos, algunas partes ligeramente más densas o menos densas. Esas pequeñas diferencias en la masa son semillas que al crecer con el calor del horno harán que el pan termine con una textura llena de burbujas y estructura. El fondo cósmico de microondas es como esa foto de la masa justo antes de que empiece a crecer y formarse. Nos muestra un universo que a gran escala es muy homogéneo. Es casi igual en todas partes, aunque con pequeñas irregularidades que luego dan lugar a todo lo que vemos: galaxias, estrellas, planetas, tú y yo.
Lo cierto es que este manto invisible que nos envuelve viajó durante 13,800 millones de años, pero debido a la expansión del universo, esta región se encuentra ahora a 46,500 millones de años luz. La primera luz del cosmos aún nos abraza para contarnos que alguna vez todo comenzó.
Cuando miramos el fondo cósmico, medimos la temperatura de la luz en distintas direcciones del cielo. Encontramos que esas temperaturas son prácticamente iguales en todas partes, con variaciones extremadamente pequeñas. Esto indica que en una escala más grande el universo es uniforme y suave, sin regiones enormes con propiedades muy diferentes. Esa uniformidad se llama homogeneidad. El universo es el mismo en todas partes cuando miramos a gran escala. Si el universo no fuera homogéneo, el fondo cósmico mostraría manchas gigantescas y muy diferentes en temperatura. Y no es así. Sin embargo, en la imagen del CMB hay mucho más de lo que parece, y nuevas misiones pretenden desentrañar aún más misterios.
LightBird, un satélite japonés, buscará detectar las ondas gravitacionales primordiales a través de la polarización del CMB. Y esto es para entender la inflación del universo. CMB-S4 es un conjunto de telescopios terrestres ultrasensibles que mapearán el CMB con alta resolución, ayudando a estudiar la materia oscura, energía oscura y neutrinos. PICO es una propuesta de satélite de la NASA que medirá el CMB en múltiples frecuencias para obtener un mapa más amplio y detallado, mejorando la precisión de los parámetros cosmológicos. Hay otras tecnologías futuras. Incluyen detectores cuánticos y redes globales para observar señales relacionadas, como ondas gravitacionales y neutrinos, ampliando la exploración del universo primordial.
Aunque también nos interesa ver qué hay más allá del CMB y cómo podemos verlo si no había luz, lo que ocurrió entre el Big Bang y la emisión del fondo cósmico de microondas sigue siendo en gran parte un misterio para la comunidad científica. En ese periodo conocido como la época opaco prerecombinación no tenemos observaciones directas, así que debemos basarnos en modelos teóricos y evidencias indirectas para entender cómo se formaron las primeras partículas y cómo empezó a estructurarse la materia. Lo que sí sabemos con certeza es que conforme retrocedemos en el tiempo, el universo estaba más caliente y denso. Gracias a experimentos como los realizados en el CERN, sabemos que a temperaturas extremadamente altas las partículas no pueden formar átomos fácilmente. Están en forma de plasma, una sopa de partículas libres como protones, neutrones y electrones. Y por eso podemos afirmar con confianza que el universo se originó a partir de un estado extremadamente caliente, denso y comprimido, y que luego se expandió y enfrió hasta permitir la formación de átomos y, finalmente, la liberación de la luz que hoy observamos como el fondo cósmico de microondas.
Ya que no podemos obtener información antes del fondo cósmico de microondas, la solución es detectar las vibraciones del espacio-tiempo. Estas son arrugas o vibraciones en el espacio-tiempo que podrían haber sido generadas en los primeros instantes durante la inflación cósmica, una fracción de segundo después del Big Bang. Esa radiación no interactúa con la materia como la luz, así que pueden viajar libres incluso antes de la formación del CMB. Detectarla sería una ventana directa al universo antes del CMB. Hay futuros detectores, por ejemplo, LISA y misiones terrestres especializadas que buscan estas señales.
¿Quién sabe qué hay más oculto en la primera luz del cosmos y lo que hay más allá de ella? Estoy convencido de que en esa primera luz hay más información de la que obtenemos con nuestros modelos actuales. Sin embargo, lo que ya hemos obtenido supera las expectativas. Aunque este mapa térmico nos ha permitido confirmar predicciones de la edad del universo, la proporción de materia oscura y energía oscura, también ha abierto nuevas preguntas sobre la naturaleza de la energía oscura, la inflación cósmica y la materia oscura. Y por si fuera poco, el estudio del fondo cósmico de microondas también ha impulsado avances tecnológicos, y esto pasa por el desarrollo de sensores ultrasensibles. Hemos obtenido mejoras en la radioastronomía y el procesamiento de señales, y esto nos sirve como inspiración para nuevas misiones espaciales.
El fondo cósmico nos recuerda que somos parte de un universo en evolución que tuvo un principio común, o quizá una transición. Y cada átomo de nuestro cuerpo, cada estrella que vemos nace de esas primeras fluctuaciones que captó la radiación cósmica. No es solo ciencia, es un vínculo profundo entre nosotros y el cosmos.
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