EL FONDO CÓSMICO DE MICROONDAS (FCM)
Actualmente el Fondo Cósmico de Microondas (FCM) ha llegado a ser la Piedra Rosseta de la cosmología, debido a que encriptadas en sus leves irregularidades térmicas están las respuestas a muchas de las interrogantes sobre el Universo, como su composición, forma, origen y destino.
El FCM nos baña permanente e intensamente y es la causa de parte de las interferencias que vemos en los aparatos de TV sintonizados en canales inexistentes. Si a alguien le preocupan los baños y corrientes de fotones, pues los del FCM llueven de todos lados y desde siempre.
Esta luz, ahora invisible a nuestros ojos, inició su viaje como luz rojiza, unos 400 mil años después del nacimiento del Universo, luego que los energéticos fotones aparecidos en sus primeros momentos hubieron perdido gran parte de su energía durante la expansión del Universo. Bajaron desde los furiosos Rayos Gama iniciales, cuando la temperatura ambiente era de trillones de grados, a inofensivos fotones de luz roja, equivalente a la luz emitida por un objeto calentado a sólo 3 mil grados.
Los degradados fotones eran ahora incapaces de impedir que los ubicuos electrones se unieran a los protones y núcleos de helio formados con la materia del Universo durante los primeros tres minutos de su existencia; el gas del Universo se hizo neutro liberando a los fotones, con lo que el Universo se hizo transparente.
Ha sido la expansión del Universo lo que ha diluido la luz roja de los inicios, ya que va estirando las ondas de luz, aumentando su longitud a medida que el espacio crece.
Estamos recibiendo el FCM que provienen desde sectores del Universo lejanos al lugar donde se formaría la Vía Láctea, y nos llegan luego de haber viajado 13.750 millones de años. No podemos verlos ya sus ondas tienen unos 1,9 mm, semejantes a las microondas; muy largas para nuestra vista, pero pueden ser detectados con equipos especiales.
Luego de su descubrimiento en 1965, centenares de instrumentos se han llevado al espacio, a las secas alturas de la Antártica o del altiplano de Antofagasta, para medir y cartografiar el misterioso FCM. Estos instrumentos buscan las leves diferencias de temperatura en su tejido, hasta 10 milésimas de grado entre una zona y otra. Con los datos obtenidos, se ha dibujado un tapiz de extrañas formas que rodea nuestro mundo sin que podamos verlo.
Se afirma que estas formas inmóviles que ahora vemos, fueron generadas por los movimientos del gas en el universo al momento de liberarse el FCM, y es equivalente a las ondas acústicas que recorren nuestra atmósfera. Coinciden con lo que se esperaría ver si “pequeñas fluctuaciones cuánticas de la materia generadas en un espacio muy pequeño se hubiesen expandido hasta el tamaño con las que las vemos hoy”[1].
Así como los nuevos instrumentos de espionaje pueden revelar una conversación por la vibración que la voz produce en los vidrios de las ventanas, astrofísicos y matemáticos han unido sus fuerzas para explotar el FCM.
El instrumento más completo hasta el momento ha sido el observatorio espacial Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA, puesto en órbita alrededor del Punto 2 de Lagrange en 2001. Después de escanear el cielo durante nueve años, la misión espacial concluyó sus observaciones del FCM, la luz más antigua del universo. La nave espacial no sólo ha proporcionado a los científicos su mejor imagen de este brillo residual, sino que ha establecido también el modelo que describe la historia y la estructura del universo.
El WMAP fue diseñado para proporcionar una mirada más detallada a las diferencias de temperatura sutiles en el fondo cósmico de microondas que fueron detectadas por vez primera en 1992 por COBE (Cosmic Background Explorer).
La nave WMAP (Wilkinson Microasintropy adquirió sus últimos datos científicos el 20 de agosto del 2010 y el 8 de septiembre puso en marcha sus propulsores, abandonó su órbita de trabajo, y entró en una órbita permanente alrededor del Sol.
La precisión del WMAP da NASA permitió los siguientes logros científicos:
1. Primer mapa de alta resolución de todo el cielo de microondas del Fondo Cósmico de Microondas (0,2 grados).
2. Se determina la edad del Universo en 13,73 mil millones de años con un 1% (0,12 mil millones de años) de certeza. Reconocido en el Libro Guinness de Records mundiales.
3. La curvatura del espacio es Euclideana y plana hasta un 1%, mejorando otras medidas por sobre un orden de magnitud.
4. Determinación que la materia bariónica (átomos ordinarios) es apenas un 4,6% de toda la materia del Universo. Con un 0,1% de precisión.
5. La materia oscura, (que no está formada por átomos) constituye el 23,3%. Con una precisión del 1,3%.
6. La energía oscura constituye el 72,1% del Universo (al 1,5%), provocando que la tasa de expansión del Universo aumente.
7. El mapa del WMAP de la polarización de la radiación de microondas de todo el cielo permitió descubrir que la reionización del Universo ocurrió antes de lo anteriormente afirmado.
8. Con los datos del WMAP los científicos se están acercando a lo que ocurrió antes del primer billonésimo de billonésimo de segundo del Universo.
9. Las propiedades estadísticas de las fluctuaciones del FCM las hacen aparecer "aleatorias"; sin embargo hay pistas sobre posibles desviaciones de la aleatoridad que están siendo estudiadas. Las desviaciones más significativas serán las bases de una nueva física con la que se podrá explorar el universo temprano y el tiempo anterior a este..
10. Desde 2000, los 3 artículos más citados en toda la física y la astronomía son del equipo científico del WMAP.
Notas:
[1] last-scattering surface.
I. EN BUSCA DEL UNIVERSO BEBE
Textos: Jorge Ianiszewski R.
(2002) Diversos experimentos, desde el espacio, la Antártica y el altiplano de la Cordillera de Los Andes, exploran el Fondo Cósmico de Microondas, emitido hace casi 14 mil millones de años.
Su resplandor es como una membrana gigantesca envolviéndolo todo: es el Fondo Cósmico de Microondas (FCM), la primera luz del Universo emitida tras la formación de los primeros átomos, cuando el Universo cumplía apenas 300 mil años. Es extremadamente débil y sólo podemos verlo a través de telescopios especiales. No en vano han pasado 14 mil millones de años desde entonces.
Imagen arriba:
Así veríamos el cielo si una cámara de 35 mm fuese sensible a las levísimas variaciones de temperatura del Fondo Cósmico de Microondas, exageradas en la imagen. Estas estructuras están formadas por los fotones más antiguos que se puedan detectar. Al frente, durante los preparativos para el lanzamiento del telescopio Boomerang, personal de la NASA infla el globo de 1 millón de metros cúbicos, en la Antártica. Los colores de las irregularidades de la temperatura no son reales y han sido adaptadas al azul por razones estéticas.
Imágenes espectaculares de ese crucial momento han sido obtenidas en los últimos años, por varios equipos de astrónomos, uno de ellos, la misión Boomerang, un equipo internacional de 36 científicos italianos, norteamericanos e ingleses, con el apoyo de la NASA, las realizó desde la Antártica. En éstas, que acompañan este artículo, se pueden ver con más nitidez que nunca, la acción de las ondas sonoras, que viajando a velocidades muchas veces supersónicas, recorrían el Universo, produciendo variaciones en su temperatura. Recientemente, y mediante un instrumento ubicado en el llano de Chajnantor, el Cosmic Background Imager (CBI) un conjunto (interferómetro) de 13 telescopios sensibles a la radiación de microondas, construido y operado por el California Institute of Technology (Caltech) de Estados Unidos y financiado por la National Science Foundation (NSF) de ese país, afinó aun más su mirada al FCM apareciendo en sus imágenes por primera vez las semillas de materia y energía que posteriormente evolucionarían hacia cúmulos de galaxias.
Para realizar las instantáneas de un pasado tan lejano, el Boomerang utilizó un detector ultrasensible enfriado hasta casi el cero absoluto (-273º C), instalado en un telescopio. El conjunto fue elevado hasta los límites de la atmósfera en un enorme globo de helio.
El Dr. Francesco Piacentini, jefe del experimento, declaró que fueron a la Antártica debido a que desde allí alcanzaban mejor una región con pocas estrellas, a través de la cual pueden observar el Universo lejano, y porque la estabilidad atmosférica de esta región es ideal para estos vuelos de larga duración.
Para conseguirlo elevaron el globo a 35 kilómetros de altura, sobre el 99% de la atmósfera, entre el 29 de diciembre de 1998 y el 9 de enero de 1999, durante el largo día antártico. El globo, no tripulado, despegó desde la base norteamericana McMurdo y voló durante los 10 días empujado por una corriente circular, que lo hizo circunnavegar el continente antártico, devolviéndolo a 30 kilómetros del lugar de partida. Durante el viaje, el telescopio del Boomerang, equipado con un sistema de orientación muy preciso, observó un área que cubría un 2,5% del cielo, en dirección de la constelación de Centauro, cercana a la Cruz del Sur.
Los primeros resultados de esta campaña aparecieron en el número del 27 de Abril del 2000 de la revista científica Nature, produciendo gran sorpresa entre legos y astrónomos.
Son imágenes que llegan hasta nosotros luego de viajar 14 mil millones de años. Wayne Hu, del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, EEUU y uno de los pocos expertos en su estudio, declaró: "Las pequeñas variaciones en le temperatura del Fondo Cósmico de Microondas reflejan las condiciones que prevalecían en el Universo temprano y su estudio puede dar respuestas a casi todas las preguntas de la cosmología: ¿Cómo es el Universo? ¿Cuanta masa contiene? ¿Cuanta materia oscura contiene? ¿Cual es su edad?".
Las imágenes muestran con una resolución nunca antes vista, pequeñas fluctuaciones, de cien millonésimas de grado, en la temperatura del Fondo Cósmico de Microondas. El estudio de los detalles inéditos captados por el Boomerang revelan que el Universo nació con la cantidad de masa suficiente como para no detener jamás su crecimiento; y que es infinito y plano. Además revela que dos tercios de toda la materia que contiene es materia oscura que jamás podremos ver.
EL PARADIGMA DEL BIG BANG
Gracias a los científicos del Boomerang, la teoría del Universo en Expansión, hoy elevada a la categoría de paradigma, y la más aceptada y popular entre los científicos para explicar la formación del Universo, recibió una vez más la confirmación de sus predicciones.
La hipótesis de que el Universo nació de la explosión de un "átomo primigenio" fue propuesta en la década de los veinte, por el sacerdote y científico belga George Lamaitre, y se apoya en las ecuaciones de la Relatividad de Einstein.
El modelo de Lamaitre fue afinado en los años cuarenta por el físico ruso-americano George Gamov, que explicó cómo el Universo, nacido de una partícula de temperatura y masa infinitas, llegó a tener la actual proporción de hidrógeno y helio. Según Gamov, a medida que crecía, el Universo se expandía y enfriaba, mientras cambiaban las condiciones en su interior. Segundos después del Big Bang, algunas partículas atómicas (protones y neutrones) se unieron y formaron núcleos de hidrógeno y de helio, los elementos más elementales del Universo y que constituyen, más del 99,5% de la materia conocida. Al continuar el enfriamiento este proceso se interrumpió, congelando la creación de núcleos de átomos más pesados. El oxígeno, carbono, hierro y los demás elementos que conforman nuestro mundo se formarían miles de millones de años después, en el corazón de las estrellas.
En sus primeras épocas, afirmó Gamow, el Universo era opaco y los electrones no podían unirse a los núcleos y formar átomos, debido al enorme calor y la agitación de éstos. Los electrones libres absorbían y emitían radiación (fotones), impidiendo que ésta escapara. Calculó que 300 mil años después del Big Bang, la expansión había forzado el descenso de la temperatura a 2.700 grados, la mitad del calor que encontramos en la superficie del Sol, permitiendo por primera vez que los núcleos de hidrógeno y helio pudiesen atrapar electrones y se crearan los primeros átomos.
En ese momento escaparon los primeros fotones y el Universo se hizo luminosos y transparente. George Gamow y sus colaboradores, aseguraron que debía ser posible observar el resplandor luminoso liberado en ese momento, con una temperatura de unos 5 grados. En su época no se hicieron mayores intentos por detectarlo y la predicción de Gamov quedó archivada.
(3 Dic. 2010 - CA) El físico inglés Roger Penrose a descubierto círculos concéntricos formados por regiones de menor temperatura en el mapa del 
Penzias y Wilson
