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La radiación cósmica de microondas y su relación con el origen del Universo es una de las historias más fascinantes de la ciencia, dijo Tonatiuh Matos, destacado físico y cosmólogo, en su visita al Instituto de Física el 19 de febrero, en el marco del Año Internacional de la Luz.

El investigador del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinvestav) regocijó a la audiencia con un recuento histórico de lo que se sabe ahora sobre la ‘primera’ luz del Universo, conocida como radiación cósmica de fondo y de cómo en ella puede estar la clave para saber más sobre la evolución del Universo.

Para que hoy podamos ser capaces de apreciarla, tuvieron que pasar años de desarrollo de los conocimientos físicos desde que el físico Albert Einstein propusiera la relatividad general como una teoría alternativa a la gravitación.

Antes de Einstein, la teoría gravitacional de Newton había estado vigente por 228 años. Con ella, se postulaba que la fuerza con la que se atraen dos cuerpos depende del valor de sus masas y del cuadrado de la distancia que los separa.

Einstein cuestionó lo que se creía incuestionable. En su teoría de relatividad general no hay fuerzas que produzcan la atracción entre cuerpos, en ella la verdadera causa es que la presencia de energía y materia produce una curvatura del espacio-tiempo. Es decir, la gravedad es una consecuencia de la geometría del espacio-tiempo.

Para 1915 cuando fue publicado el artículo de Einstein “Las ecuaciones de campo de la gravitación”, el mundo se encontraba en la Primera Guerra Mundial y la ciencia alemana era vista con suspicacia por algunos científicos ingleses.

A pesar de eso, las ideas de Einstein fueron estudiadas por algunos científicos y para 1919 Arthur Eddington probó por primera vez que la teoría de la relatividad general era correcta mediante la observación del desplazamiento de la posición relativa de una estrella durante un eclipse total de Sol.

Más adelante, en 1922, Alexander Friedmann estudió las repercusiones que tenía la teoría de la relatividad general de Einstein al considerar el comportamiento de un Universo homogéneo e isotrópico. Al obtener las primeras soluciones exactas de las ecuaciones de Einstein, encontró que el Universo debía encontrarse en constante expansión.

Para intentar resolver lo que desde su punto de vista era un grave problema, Einstein agregó una constante a sus ecuaciones. Conocida hoy en día como constante cosmológica, ésta actúa como un término repulsivo que equilibra la interacción gravitacional atractiva, dando lugar a un Universo estático.

En la búsqueda de soluciones a la teoría de la gravitación de Einstein en 1925, el físico belga Georges Lemaître llegó también a la conclusión de que el Universo no era estático, con el tiempo y desde su creación, debía expandirse.

En 1929 las observaciones de Edwin Hubble demostraron que la velocidad de recesión de las galaxias aumenta con la distancia, lo cual implica de manera inequívoca que el Universo se está expandiendo. La comprobación observacional de la expansión del Universo, llevó a afirmar a Einstein que la incorporación de la constante cosmológica había sido el mayor error de su vida.

Para 1950, el físico ruso George Gamow estudió la expansión del Universo, y concluyó que a la densidad y temperatura existente en los primeros instantes del Universo, su composición era la de un plasma en el cual las partículas y la radiación electromagnética se encontraban en equilibrio termodinámico.

Conforme el Universo se fue expandiendo, la temperatura disminuyó, y cuando llegó a los 3 mil grados Kelvin, los electrones se pudieron combinar con los protones, permitiendo que los fotones se desacoplaran de la materia, viajando libremente, lo que provocó que disminuyeran su temperatura a 2.7 grados Kelvin (aproximadamente lo que se mide en la actualidad). Este conjunto de fotones son el eco de la gran explosión que dio origen al Universo.

No pasó mucho tiempo para tener la evidencia de esta ‘primera’ luz. En 1965, la radiación de fondo fue encontrada en los laboratorios Bell, en New Jersey, Estados Unidos, por los físicos norteamericanos Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson.

Los investigadores habían construido una antena para usos en radioastronomía y experimentos de comunicaciones por satélite que presentaba un ruido térmico de 3.5 K en todas las direcciones y en todas las épocas del año. Intentaron eliminar esta anomalía por diversos medios sin éxito.

La longitud de onda de la radiación asociada al ruido térmico que captaron correspondía a microondas y su espectro coincidía con el de la radiación de un cuerpo negro (objeto ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él).

La longitud de onda de la radiación, su presencia en todas las direcciones y a todo tiempo y su espectro al ser el mismo que el de cuerpo negro concordaba con las predicciones teóricas que debían de tener los fotones producidos por el Big Bang, por lo que llegaron a la conclusión que esa señal de ruido era inducida por la radiación cósmica de fondo del Universo.

Matos resumió algunos de los avances más espectaculares que siguieron al descubrimiento de la radiación de fondo. En particular, el problema conocido como “del horizonte del Universo” que consiste en la gran homogeneidad que la radiación cósmica de fondo muestra en todas direcciones, y que pudo ser explicado con el surgimiento de la teoría de la inflación.

La teoría de la inflación cósmica propone que durante los primeros 10-37 segundos, el Universo experimentó un crecimiento acelerado, que prácticamente eliminó todas las inhomogeneidades. Sin embargo mediciones mucho más precisas realizada por el Cosmic Background Explorer (COBE) pudieron observar anisotropías en la radiación de fondo

Estas pequeñas anisotropías son el resultado de las fluctuaciones cuánticas en la densidad de materia en el universo temprano, que imprimieron su sello en la radiación cósmica de fondo. Adicionalmente dichas fluctuaciones cuánticas al crecer con la expansión del Universo sirvieron de semillas de nucleación de lo que ahora son las galaxias.

Matos concluyó su charla con algunos videos que simulan con gran precisión la evolución del Universo en grandes escalas de tiempos, y habló de la posibilidad de que futuras observaciones encuentren rastros de ondas gravitacionales producidas por el “Big Bang”.

Dicha señales representarían una evidencia clara a favor de la teoría de la inflación que experimento el Universo en los primeros instantes del Universo y parecía haber sido observada por la colaboración BICEP. Sin embargo el resultado fue desmentido posteriormente, por lo que tendremos que esperar a que futuros experimentos logren la precisión requerida para observar dichas señales.