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.

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.

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.

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.

Imagen: Mapa Mejorado del Fondo Cósmico de Microondas. Crédito: Boomerang (Ampliar haciendo click en la imagen).

II. LAS GUERRAS POR EL UNIVERSO

Los años cincuenta y sesenta fueron testigos de la dura competencia por ganar las mentes de los científicos y del público, entre los seguidores del modelo del Universo en Expansión de Lamaitre-Gamov y los del Universo de Estado Estacionario, de Fred Hoyle. Este último era un influyente científico británico que denostaba contra el modelo de Lamaitre, pues, "Se parece demasiado al relato bíblico", afirmaba. El modelo de Hoyle postulaba un Universo eterno que crecía permanentemente, creando materia, la que pasaba a formar nuevas galaxias. Motejó al modelo rival como Big Bang (Gran Explosión), dándole sin querer el nombre que le faltaba.

Un duro golpe recibió Hoyle y sus seguidores el año 1965, cuando los físicos norteamericanos Arno Penzias y Robert Wilson, que trabajaban para la gigantesca Compañía de Teléfonos Bell, de Estados Unidos, realizando experimentos con un radiotelescopio muy sensible, captaron sin querer una interferencia de microondas, que les llegaba desde todas partes, no importaba hacia donde apuntaban el aparato. Luego de descartar las posibilidades de malfuncionamiento del equipo, presencia de excrementos de palomas e interferencias naturales producidas por el Sol y nuestra Galaxia, llegaron a la conclusión que la radiación que recibían tenía un origen astronómico natural y que correspondía a la radiación (luz) que emitiría un objeto con una temperatura de 270 grados C bajo cero (3 K), al borde del cero absoluto. No podía ser otra cosa que el resplandor del Big Bang, predicho por Gamow. Se le llamó: Fondo Cósmico de Microondas (FCM).

Penzias y Wilson (imagen a la derecha) recibirían por este descubrimiento el premio Nobel de Física en 1978. El Comité del Nobel se demoró demasiado en otorgarlo, Gamov había muerto diez años antes.

Los enemigos del Big Bang, impresionados por el inesperado descubrimiento, retrocedieron durante algún tiempo, para volver a la carga y contraatacar utilizando el mismo descubrimiento contra sus rivales.

La radiación de fondo observada era extraordinariamente pareja (isotrópica) en todas las direcciones, revelando un Universo homogéneo. ¿Cómo podían entonces explicarse las enormes estructuras que se ven en el Universo actual, cómo galaxias y cúmulos de galaxias?. La radiación observada debía tener otro origen, decían.

Los bingbanguistas salieron entonces a buscar esas irregularidades, que tenían que existir en alguna parte. Construyeron complejos y sensibles aparatos que montaron en globos y aviones, pusieron telescopios en altas cumbres tratando de ver y analizar el Fondo Cósmico sin las interferencias de la atmósfera. Pero las irregularidades predichas no aparecían y nada parecía explicar la gran homogeneidad observada, las que se transformaron en un inesperado obstáculo para el modelo del Big Bang. Pasaba el tiempo y las irregularidades perdidas se transformaron en el Santo Grial de la cosmología. Los científicos estaban perplejos, el Fondo Cósmico de Microondas era extremadamente parejo.

NUEVO: III Parte. OBSERVANDO LA CREACION

La angustia duró casi 28 años, terminando recién en 1992, cuando se dio a conocer la primera imagen (a la izquierda) de irregularidades en la temperatura del Fondo Cósmico de Microondas, obtenida con el observatorio orbital COBE (Cosmic Background Explorer) un satélite de la NASA. Muy conmovido por el descubrimiento, el físico inglés Stephen Hawking de la Universidad de Cambridge, dijo que para él se trataba de un momento histórico único: "Mirábamos hacia atrás, al origen del Universo", aseguró. George Smoot, uno de los investigadores del COBE, escribió un interesante libro sobre esta proeza: "Arrugas en el Tiempo" publicada en castellano por Plaza & Janes. Las manchas rojas sobre un fondo azul, (ilustración de colores exagerados de leves variaciones de temperatura) que emocionaron tanto a los físicos, confirmaban la teoría del Big Bang al revelar que el Universo tenía en ese momento suficientes irregularidades como para explicar la posterior existencia de estructuras como galaxias y cúmulos de galaxias.

De acuerdo a la última versión del paradigma, el Universo pasó, fracciones de segundo después de la Gran Explosión, por una fase "inflacionaria" (una explosión dentro de la explosión), un cambio de fase (como cuando el agua líquida se transforma en hielo) en la cual se habrían producido irregularidades, como grietas en un campo de hielo, las que habrían servido de origen para posteriores fluctuaciones gravitacionales. Estas estructuras atraían las partículas recién formadas produciendo zonas de alta densidad. Estas son las estructuras cuyas imágenes quedaron impresas en el Fondo Cósmico de Microondas. Escapaban a la detección de los científicos debido a que aparecen extraordinariamente débiles, producto de las grandes distancias que han debido viajar: 14 mil millones de años luz.

El Boomerang se adelantó a muchos proyectos que afinan complejos y finos instrumentos para estudiar la sutil radiación del Big Bang, tales como los satélites WMAP de la NASA, y Planck Surveyor de la Agencia Espacial Europea, ESA; el primero fue lanzado el año 2002 y el segundo esperará hasta el 2007.

Otros proyectos, con el mismo objetivo se apuran en instalarse en las alturas del altiplano chileno, que ofrece un cielo ideal para realizar este tipo de observaciones. La sequedad y la pureza del aire han atraído al gigantesco observatorio Atacama Large Millimeter Array, ALMA, (Gran Conjunto Milimétrico de Aatacama) un proyecto internacional donde participan europeos, a través de la ESO (European Southern Observatory), Estados Unidos y Canadá, con la NRAO (National Radio Astronomy Organization) de Estados Unidos y Japón con la NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan), que será instalado cerca de San Pedro de Atacama, en el llano de Chajnantor, ubicado a 5.200 metros de altura y reservado para la astronomía por el Presidente Eduardo Frei R.

En Chajnantor ya se ha instalado el Cosmic Background Explorer, un radiotelescopio múltiple milimétrico del Caltech de EEUU; mientras el Telescopio de Anisotropías Movil, de la Universidad de Princeton, ocupó el cerro Toco, de la P. Universidad Católica de Chile para sus primeras observaciones, en el mismo sitio.

La antena APEX (Experimento Pionero de Atacama en inglés), un radiotelescopio de 12 metros de diámetro, prototipo de los 64 del proyecto ALMA, que se instalarán allí en el futuro, ya está siendo operada por el Observatorio Europeo Austral (ESO), con financiamiento del Instituto Max-Planck de Alemania, el Observatorio Espacial de Onsala (Suecia) y ESO.

Como parte del acuerdo entre ESO y Chile, el 10 por ciento del tiempo de observación de APEX está reservado para astrónomos chilenos.

Cuando la totalidad de los radiotelescopios de ALMA comience a explorar las estructuras del Fondo Cósmico de Microondas, comenzarán a develarse los misterios que envuelven el nacimiento y el futuro del Universo. El análisis de las irregularidades develará los detalles sobre la forma en que las ondas sonoras viajaban a través del Universo temprano, en una época en que era billones de veces más denso que hoy. Podremos tener "ecografías" de lo que era entonces el inmenso Universo donde estamos hoy.