Esta radiación es una predicción del modelo del Big Bang, ya que según este modelo, el universo primigenio era un plasma compuesto principalmente por electrones, fotones y bariones (protones y neutrones). Los fotones estaban constantemente interactuando con el plasma mediante la dispersión Thomson. Los electrones no se podían unir a los protones y otros núcleos atómicos para formar átomos porque la energía media de dicho plasma era muy alta, por lo que los electrones interactuaban constantemente con los fotones mediante el proceso conocido como dispersión Compton. A medida que el universo se fue expandiendo, el enfriamiento adiabático (del que el corrimiento al rojo cosmológico es un síntoma actual) causado porque el plasma se enfrie hasta que sea posible que los electrones se combinen con protones y formen átomos de hidrógeno. Esto ocurrió cuando esta alcanzó los 3000 K, unos 380000 años después del Big Bang. A partir de ese momento, los fotones pudieron viajar libremente a través del espacio sin colisionar con los electrones dispersos. Este fenómeno es conocido como Era de la recombinación y descomposición, la radiación de fondo de microondas es precisamente el resultado de ese periodo. Al irse expandiendo el universo, esta radiación también fue disminuyendo su temperatura, lo cual explica por qué hoy en día es sólo de unos 2,7 K. La radiación de fondo es el ruido que hace el universo. Se dice que es el eco que proviene del inicio del universo, o sea, el eco que quedó de la gran explosión que dio origen al universo.
Los fotones han continuado enfriándose desde entonces, actualmente han caído a 2,725 K y su temperatura continuará cayendo según se expanda el Universo. De la misma manera, la radiación del cielo que medimos viene de una superficie esférica, llamada superficie de la última dispersión, en la que los fotones que se descompusieron en la interacción con materia en el Universo primigenio, hace 13700 millones de años, están observándose actualmente en la Tierra. El Big Bang sugiere que el fondo de radiación cósmico rellena todo el espacio observable y que gran parte de la radiación en el Universo está en el CMB, que tiene una fracción de aproximadamente 5·10-5 de la densidad total del Universo.
Dos de los grandes éxitos de la teoría del Big Bang son sus predicciones de este espectro de cuerpo negro casi perfecto y su predicción detallada de las anisotropías en el fondo cósmico de microondas. El reciente WMAP ha medido precisamente estas anisotropías sobre el cielo por completo a escalas angulares de 0,2°.Estas se pueden utilizar para estimar los parámetros del Modelo Lambda-CDM estándar del Big Bang. Alguna información, como la forma del Universo, se puede obtener directamente del CMB, mientras otros, como la constante de Hubble, no están restringidos y tienen que ser inferidos de otras medidas.
Historia
Esta radiación fue predicha por George Gamow, Ralph Alpher y Robert Hermann en 1948. Es más, Alpher y Herman pudieron estimar que la temperatura del fondo de radiación de microondas era 5K, aunque dos años después, la reestimaron en 28K. Aunque había varias estimaciones previas de la temperatura del espacio (ver cronología), estas sufrieron dos defectos. Primero, fueron medidas de la temperatura efectiva del espacio y no sugieren que el espacio fue rellenado con un espectro de Planck térmico. Segundo, son dependientes de nuestro lugar especial en el extremo de la Vía Láctea y no sugieren que la radiación es isótropa. Además, produciría predicciones muy diferentes si la Tierra estuviera localizada en cualquier lugar del Universo.
La interpretación de la radiación de fondo de microondas fue un tema controvertido en los años 1960 entre los defensores de la Teoría del Estado Estacionario argumentando que el fondo de microondas era el resultado de la luz dispersada de las estrellas procedente de las galaxias distantes. Utilizando este modelo y basado en el estudio de la absorción reducida de líneas que caracteriza el espectro de las estrellas, el astrónomo Andrew McKellar escribió en 1941: "Se puede calcular que el rotacional de temperatura del espacio interestelar es 2 K". Sin embargo, durante los años 1970 el consenso fue que la radiación de fondo de microondas es un remanente del Big Bang. Esto fue en gran parte porque las nuevas medidas en un rango de frecuencias demostraron que el espectro era un térmico, cuerpo negro, un resultado que el modelo del estado estacionario no podía reproducir.
Harrison, Peebles y Yu, y por otra parte Zel'dovich se dieron cuenta que el Universo primigenio tendría que tener inhomogeneidades en un nivel de 10-4 o 10−5. Rashid Sunyaev después calculó la huella observable que estas inhomogeneidades tendrían en el fondo de radiación de microondas. Incrementalmente los límites estrictos de la anisotropía del fondo de radiación de microondas fueron establecidos por experimentos basados en la tierra, pero la anisotropía se detectó por primera vez por el Radiómetro de Microondas Diferencial en el satélite COBE.
Inspirado por los resultados del COBE, una serie de experimentos en tierra o basados en globos midieron las anisotropías del fondo de radiación de microondas en pequeñas escalas angulares durante la década siguiente. El objetivo primario de estos experimentos fue medir la escala del primer pico acústico, para el que el COBE no tenía suficiente resolución para resolverlo. El primer pico en la anisotropía fue detectado tentativamente por el experimento Toco y el resultado fue confirmado por los experimentos BOOMERanG y MAXIMA. Estas medidas demostraron que el Universo era aproximadamente plano y podía descartar las cuerdas cósmicas como un gran componente en la formación de estructuras cósmicas y sugiere que la inflación cósmica era la teoría correcta para la formación de estructuras.
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| Panorámica del Telescopio del Polo |
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| Panorámica del Telescopio del Polo |
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ESTUDIA LA “PRIMERA LUZ” DEL UNIVERSO
Evidencia independiente de la teoría de la inflación del universo
Un grupo de astrónomos, ubicados en una meseta remota del chileno ha producido las imágenes más detalladas obtenidas hasta la fecha de la luz más antigua emitida por el universo, lo que confirma de manera independiente las debatidas teorías acerca del origen de la materia y la energía.
Llevando la tecnología a sus límites, el Generador de Imágenes del Fondo del Universo (CBI por su sigla en inglés), financiado por la National Science Foundation (NSF) y el California Institute of Technology (Caltech) detectó variaciones minúsculas en el fondo cósmico de microondas, una radiación que ha viajado a la tierra durante casi 14 mil millones de años. Un mapa de estas fluctuaciones muestra las primeras semillas tentativas de materia y energía que posteriormente evolucionarían para formar cúmulos de cientos de galaxias.
Las mediciones realizadas proporcionan evidencia independiente de la tan debatida teoría de la inflación, que sostiene que el universo se expandió violentamente en los primeros “microinstantes” de su existencia. Transcurridos unos 300.000 años, el universo se habría enfriado lo suficiente para permitir que se formaran las semillas de la materia y se volviera “transparente”, lo cual permitió que la luz viajara libremente. El CBI observó los restos de esa radiación inicial. Los datos también le están ayudando a los científicos a incrementar sus conocimientos acerca de la fuerza de repulsión denominada "energía oscura" que aparentemente desafía a la fuerza de gravedad y provoca la expansión acelerada del universo a velocidades cada vez mayores.
“Se trata de investigación básica de la mejor calidad que es sumamente apasionante” señaló Rita Collwell, Directora de NSF. “Cada una de las nuevas imágenes del universo inicial da mayor precisión a nuestro modelo de cómo comenzaron las cosas. Al igual que el universo, que se expande y crece, el conocimiento de la humanidad acerca de sus orígenes sigue creciendo gracias a la pericia técnica y la paciente persistencia de El CBI observó el fondo cósmico de microondas, una fotografía del universo a los 300.000 años de edad.
El CBI consta de 13 antenas de radio ubicadas en una meseta a 5080 metros de altura en el Desierto de Atacama en Chile.
“Por primera vez hemos observado las semillas que dieron lugar a los cúmulos de galaxias, lo que ha permitido dar una base firme a las teorías de formación de las galaxias” indicó Anthony Readhead de Caltech.
“Estas observaciones singulares, de alta resolución, nos proporcionan una nueva serie de pruebas esenciales de la cosmología y entregan evidencia novedosa e independiente de que el Universo es plano y está dominado por materia oscura y energía oscura”.
Readhead, junto a sus colegas de Caltech, Steve Padin y Timothy Pearson, y otros de Canadá, Chile y Estados Unidos, generaron las mejores mediciones
Los datos del CBI acerca de la distribución de la temperatura en el fondo
cósmico de microondas respaldan la idea de una modificación de la teoría del Big Bang. Dicho cambio es conocido como la teoría de la inflación. Esta teoría afirma que el plasma caliente del universo inicial habría experimentado una expansión extrema y muy veloz durante los primeros 10 –32 segundos. Las variaciones de temperatura medidas por el CBI son del orden de 10 millonésimas de grado.
Al graficar la distribución de los puntos máximos de temperatura, los científicos lograron demostrar que los datos extremadamente precisos del CBI coinciden plenamente con la teoría de la inflación y confirman algunos descubrimientos anteriores realizados por otros científicos. En abril del año 2000, un equipo internacional dirigido por Andrew Lange de Caltech, anunció la primera evidencia convincente de que el universo es plano; es decir, que su geometría es tal que las líneas paralelas nunca llegarían a converger ni a diverger. El equipo de Lange realizó sus observaciones a una frecuencia distinta de la del CBI, utilizando un globo aerostático sobre la Antártida.
Posteriormente, dos grupos más han hecho públicos sus análisis de variaciones mínimas en la temperatura de las microondas cósmicas usando métodos diferentes. Los cuatro instrumentos han efectuado mediciones muy precisas de los parámetros que los cosmólogos han usado durante mucho tiempo para describir al universo primigenio. Cada conjunto de datos ha aportado nuevas claves acerca de la forma del plasma original y ha permitido que los científicos se acerquen cada vez más a la obtención de respuestas definitivas. NSF ha respaldado el trabajo de los cuatro equipos y sus instrumentos, en algunos casos durante más de 15 años. Se han enviado cinco artículos con resultados del CBI para su publicación en Astrophysical Journal.
El CBI consiste de 13 antenas de interferometría montadas en una plataforma de 6 metros de diámetro, las cuales operan a frecuencias que van de 26 a 36 GHz.
El CBI está ubicado en uno de los desiertos más secos del mundo: el Desierto
de Atacama. El CBI aprovecha la sequedad extrema existente a los 5080
metros de altura. NSF financia parcialmente las investigaciones del CBI desde
1995. La Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica
(CONICYT) de Chile proporcionó el sitio para la localización del CBI.
Los resultados obtenidos por sus instrumentos, confirman en gran parte los postulados de la Teoría del Big Bang. De acuerdo con el Comité del Premio Nobel, "el proyecto COBE se puede considerar como el punto de partida para la cosmología como una ciencia de precisión". Dos de los principales investigadores del COBE, George F. Smoot y John C. Mather, recibieron el Premio Nobel de Física en 2006. El satélite WMAP de la NASA es el sucesor actual de la misión COBE.
En 1974, la NASA lanzó un Anuncio de Oportunidad para misiones astronómicas que utilizaría un explorador espacial de tamaño pequeño o medio. Además de las 121 propuestas recibidas, tres tratan con el estudio de la radiación de fondo cosmológica. Aunque últimamente estas propuestas perdieron ante el Infrared Astronomical Satellite (IRAS), la fuerza de las tres propuestas enviadas mandó un claro mensaje a la NASA de que era una cuestión para considerar. En 1976, la NASA había seleccionado a miembros de cada una de los tres equipos ponentes de 1974 para realizar una propuesta conjunta para un satélite conceptual. Un año después, este equipo apareció con la propuesta de un satélite polar orbitante que podría ser lanzado por un cohete Delta o el Shuttle, llamado COBE. Contendría los siguientes instrumentos :
- Radiómetro Diferencial de Microondas (DMR) - un instrumento de microondas que mapearía variaciones (o anisotropías) en la radiación de fondo de microondas (Investigador Principal: George F. Smoot)
- Espectrofotómetro Absoluto del Infrarrojo Lejano (FIRAS) - un espectrofotómetro utilizado para medir el espectro de la radiación de fondo de microondas (Investigador Principal: John C. Mather)
- Experimento Difuso para el Fondo de Infrarrojos (DIRBE) - un detector de infrarrojo de múltiple longitud de onda utilizado para mapear emisiones de polvo (Investigador Principal: Mike Hauser)
La NASA aceptó la propuesta proporcionada de que los costes pueden mantenerse por debajo de los 30 millones de dólares, excluyendo los análisis de lanzamiento y datos. Debido a que el coste sobrepasaba el programa debido al IRAS, el trabajo de construcción del satélite en el Centro de Vuelo Espacial Goddard (GSFC) no empezó hasta 1981. Para ahorrar costes, el COBE utilizó detectores de infrarrojo similares y un termo de helio líquido como los utilizados en el IRAS.
El COBE fue originalmente planeado para ser lanzado en un Transbordador espacial en 1988, pero la explosión del Challenger retrasó este plan cuando los transbordadores fueron retirados del servicio. La NASA mantuvo a los ingenieros del COBE para que no se fueran a otras agencias espaciales para lanzar el COBE, pero finalmente, un COBE rediseñado fue puesto en órbita el 18 de noviembre de 1989 a bordo de un cohete Delta. Un equipo de científicos estadounidenses anunció el 23 de abril de 1992, que habían encontrado las semillas primigenias (anisotropías del CMB) en datos del COBE. El anuncio fue realizado al mundo entero como un descubrimiento científico fundamental y fue portada del New York Times.
El Premio Nobel de Física de 2006 fue conjuntamente para John C. Mather, del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, MD, USA, y George F. Smoot, Universidad de California, Berkeley, CA, USA "por su descubrimiento de la forma de cuerpo negro y las anisotropías del fondo cósmico de microondas."
El COBE fue un satélite de tipo Explorador, con tecnología prestada enormemente del IRAS, pero con algunas características únicas.
La necesidad de controlar y medir todas las fuentes de errores sistemáticos requirió un riguroso e integrado diseño. El COBE tendría que operar durante un mínimo de 6 meses y la restricción de la cantidad de interferencias de radio desde el suelo, el COBE y otros satélites así como la interferencia radiactiva desde la Tierra, el Sol y la Luna. Los instrumentos requerían estabilidad de temperatura y para mantener la ganancia y un alto nivel de limpieza para reducir la entrada de luz desviada y la emisión térmica de partículas.
La necesidad de controlar el error sistemático en la medida de las anisotropías del CMB y la medida de la nube zodiacal a diferentes ángulos de elongación son necesarias para modelizar la rotación del satélite de 0.8 rpm. Los ejes de rotación también son inclinados hacia atrás desde el vector de velocidad orbital como una precaución contra posibles depósitos de gases residuales atmosféricos en la óptica así como contra el brillo infrarrojo del que resultarían los impactos de partículas rápidas neutras en su superficie a velocidades supersónicas.
Para cumplir las demandas de la rotación lenta y la altitud de los tres ejes controla un sofisticado par de ruedas de momento para el viraje angular que fueron empleadas con sus ejes orientados a lo largo de sus ejes de rotación. Estas ruedas fueron utilizadas para tener un momento angular opuesto al de la nave entera para crear una sistema en red de momento angular cero.
La órbita se comprobaría para ser determinada basándose en los objetivos específicos de la misión espacial. Las consideraciones primordiales fueron necesarias para cubrir todo el cielo, la necesidad de eliminar radiación desviada desde los instrumentos y la necesidad de mantener la estabilidad térmica de los bidones y los instrumentos. Una órbita circular síncrona con el Sol satisfacía todos estos requisitos. Una órbita a 900 km de altitud con una inclinación de 99° fue elegida al adaptarse dentro de las capacidades de un transbordador (con una propulsión auxiliar en el COBE) o un Cohete Delta. Esta altitud fue un buen compromiso entre la radiación de la Tierra y la carga de partículas en los cinturones de radiación la Tierra a altas alturas. Un nodo ascendente a las 6 p.m. fue elegido para permitir al COBE seguir la frontera entre la luz del Sol y la oscuridad de la Tierra durante el año.
La órbita combinada con el eje de rotación hizo posible mantener la Tierra y el Sol continuamente por debajo del plano de la coraza, permitiendo un completo barrido del cielo cada seis meses.
Las últimas dos partes importantes pertenecientes al COBE fueron los bidones y la coraza Sol-Tierra. Los bidones tenían 650 litros de helio superfluido criostatico diseñados para mantener los instrumentos FIRAS y DIRBE fríos durante la duración de la misión. Estaba basado en el mismo diseño que utilizado en el IRAS y pudo ventilar helio a lo largo del eje de rotación cerca de las matrices de comunicación. La coraza cónica Sol-Tierra protegía los instrumentos de la luz solar directa y la radiación terrestre así como las radio-interferencias desde la Tierra y la antena de transmisión del COBE. Sus mantas de aislamiento multicapa proporcionaron aislamiento térmico para los bidones
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