Radiación de fondo de microondas

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Mapa de anisotropías de la radiación de fondo de microondas obtenida por el satélite WMAP.

En cosmología, la radiación de fondo de microondas (en inglés Cosmic Microwave Background o CMB) es una forma de radiación electromagnética descubierta en 1965 que llena el Universo por completo. También se denomina radiación cósmica de microondas o radiación del fondo cósmico. Tiene características de radiación de cuerpo negro a una temperatura de 2,725 Kelvin y su frecuencia pertenece al rango de las microondas con una frecuencia de 160.2 GHz, correspondiéndose con una longitud de onda de 1.9 mm. Muchos cosmólogos consideran esta radiación como la prueba principal del modelo cosmológico del Big Bang del Universo.

[editar] Características

El espectro de la radiación de fondo de microondas medido por el instrumento FIRAS en el satélite COBE es el espectro de cuerpo negro medido con más precisión en la naturaleza. Las variables y el error estándar están ocultados por la curva teórica.

La radiación de fondo de microondas es isotrópica hasta una parte entre 100.000: las variaciones del valor eficaz son sólo 18 µK. ^[1] El espectrofotómetro FIRAS (en inglés The Far-Infrared Absolute Spectrophotometer en el satélite COBE de la NASA ha medido cuidadosamente el espectro de la radiación de fondo del microondas. El FIRAS comparó el CMB con un cuerpo negro de refereicna y no se pudo ver ninguna diferencia en sus espectros. Cualquier desviación del cuerpo negro que pudiera seguir estando sin detectar en el espectro del CMB sibre el rango de longitudes de onda desde 0.5 a 5 mm tendría que tener un valor de unas 50 partes por milló del pico de brillo del CMB.^[2] Esto hizo del espectro del CMB el cuerpo negro medido de manera más precisa en la naturaleza.

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 380.000 años después del Big Bang. A partir de ese momento, los fotones pudieron viajar libremente sin colisionar con los electrones dispersos y pudieron viajar libremente a través del espacio. 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 porque hoy en día es sólo de unos 2,7 K. La radiacion de fondo es el ruido que hace el universo. Se dice que es el eco que proviene del fin del universo, o sea, el eco que quedó de la gran explosion que dio origen al universo

Los fotones han continuado enfriándose desde entonces, actualmente han caido 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 estférica, llamada superficie de la última dispersión, en la que los fotones que se descompusieron en la interacción con materia en el Universo primigenio, hace 13.700 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.^[3]

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 grados.^[4] Estas se pueden utilizar para estimarlos parámetros del Modelo Lambda-CDM estándar del Big Bang. Alguna información, como la forma del Universo, se puede obtener francamente del CMB, mientras otros, como la constante de Hubble, no están restringidos y tienen que ser inferidos de otras medidas.^[5]

[editar] Historia

Esta radiación fue predicha por George Gamow, Ralph Alpher y Robert Hermann en los años 40 y fue descubierta de manera accidental en 1964 por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson quienes recibieron el Premio Nobel de Física de 1978

[editar] Estudio de las anisotropías

La radiación de fondo aparece a primera vista isótropa, es decir, homogénea. Este hecho era de difícil explicación según el modelo original del Big Bang y fue una de las causas que llevó a la formulación del modelo inflacionario del Big Bang. Una de las predicciones de este modelo es la existencia de pequeñas variaciones en la temperatura del fondo cósmico de microondas. Estas anisotropías o inhomogeneidades fueron detectadas finalmente en los años 90 por varios experimentos, especialmente, por el satélite de la NASA COBE (Cosmic Background Explorer) entre 1989 y 1996 que fue la primera experiencia capaz de detectar irregularidades y anisotropías en esta radiación. Las irregularidades se consideran variaciones de densidad del universo primitivo y su descubrimiento arroja indicios, la formación de las primeras estructuras de gran escala y la distribución de galaxias del universo actual. En el 2001 la agencia espacial americana NASA lanzó el WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), un nuevo satélite capaz de estudiar con gran detalle la radiación cósmica de fondo, que consiguió el mapa más detallado hasta la fecha de las anisotropías en la radiación de fondo de microondas. Está previsto que para 2007 la ESA lance el Planck Surveyor, un satélite de capacidades mucho mayores todavía que el WMAP. Los datos aportados por el WMAP en 2003 y 2006 revelan un universo en expansión formado por un 4% de materia bariónica, un 22% de materia oscura y un 74% de energía oscura.

[editar] Referencias

↑ Esto ignora la anisotropía del dipolo eléctrico, que se debe al Efecto Doppler de la radiación de fondo de microondas debido a nuestra velocidad peculiar relativa a la estructra cósmica inmóvil. Esta característica es consistente con la Tierra moviéndose a unos 380 km/s hacia la constelación de Virgo.
↑ D. J. Fixsen y otros, "The Cosmic Microwave Background Spectrum from the full COBE FIRAS data set", Astrophysical Journal 473, 576–587 (1996).
↑ La densidad de energía de un espectro de cuerpo negro es $\pi^{2} k_{B}^{4}T^{4}/15(\hbar c)^{3}$ , donde T es la Temperatura, $k B$ es la constante de Boltzmann, $\hbar$ es la constante de Planck y c es la velocidad de la luz. Esto se puede relacionar con la densidad crítica del Universo utilizando los parámetros del Modelo Lambda-CDM.
↑ Astrophysical Journal Supplement, 148 (2003). En particular, G. Hinshaw y otros "Primer año de observaciones del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP): el espectro de potencia angular", 135–159.
↑ D. N. Spergel et al., "Primer año de observaciones del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP): determinación de parámetros cosmológicos", Astrophysical Journal Supplement 148, 175–194 (2003).