La ciencia escondida tras la imagen del fondo de radiación de microondas

Imagen del fondo de microondas tomada por el satélite Planck.

Vivimos inmersos en la radiación remanente del inicio del Universo: el Big Bang. Nos movemos en una piscina de fotones -las partículas que componen la luz- que nos envuelven a razón de unos 400 en cada centímetro cúbico, aproximadamente el volumen de un dedal. Estamos conectados con el origen del Universo en todo momento.

Esos fotones se emitieron cuando el Universo tenía tan solo unos 380.000 años: si estableciéramos un símil con la existencia de un hombre con una esperanza de vida de unos 90 años, y teniendo en cuenta que el Universo tiene una edad de 13.800 millones de años, esos fotones salieron del Universo cuando éste tenía tan solo 0,9 días, casi un día de edad: nuestro Cosmos era un recién nacido.

Podemos verlos en la típica imagen de "nieve" que recibíamos cuando intentábamos sintonizar un canal de televisión analógico: un 1% de esa nieve son ellos... Y ellos también nos transportan una información vital: podemos saber muchas cosas de cómo ha evolucionado el Cosmos observándolos adecuadamente.

Comparativa de la radiación del fondo de microondas tomada por tres satélites distintos: COBE (NASA), WMAP (NASA) y Planck (ESA).

Para empezar, han estado viajando durante mucho tiempo y han ido perdiendo energía. Esto significa que ahora están en la banda de energía de los microondas, la misma en la que operan los hornos microondas con los que nos calentamos la leche del desayuno. Por eso, a este baño de fotones se le llama "radiación del fondo de microondas".

Para observarlos, por tanto, tenemos que construir una antena que capte radiación en la región de las microondas. Como el vapor de agua las absorbe (es el principio de funcionamiento de todos los microondas con los que cocinamos) y está presente de forma natural en nuestra atmósfera, o bien nos desplazamos a lugares muy secos del planeta para instalar allí nuestras "antenas de microondas" o bien salimos al espacio.

Lo que tenemos en la imagen COBE/WMAP/Planck es lo que vieron los tres satélites que han estado observándolos: el COBE de la NASA, lanzado en 1989; el WMAP, también de la NASA, lanzado en 2001; y el más reciente y preciso de todos, el Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA), lanzado en 2009. Con COBE podemos verlo. La imagen era aún indecisa, casi un borrón, muy poco definida en comparación con la que obtuvo WMAP, mucho más nítida, y, posteriormente, Planck, que hasta la fecha ha sido el que los ha observado con mayor detalle. Si nos centramos en Planck, esto es lo que vemos: la fotografía de un Universo que tenía casi un día de edad, la más antigua que tenemos de éste. Planck ha sido como una máquina del tiempo, permitiendo acercarnos como nunca hasta la fecha al Big Bang.

Como sabemos, el Universo empezó en un estado de muy poco volumen y mucha energía, a partir del cual fue expandiéndose y perdiendo energía con esta expansión. En la imagen que nos aporta Planck, el Universo ya había perdido suficiente energía como para que los fotones dejaran de chocar continuamente con el resto de materia que tenía el Cosmos en aquel momento (básicamente una sopa muy caliente de electrones, protones y neutrones, que son la partículas que forman los átomos). Los fotones, pues, dejaron de chocar continuamente con ellos y empezaron a escaparse; el resto de partículas pudo entonces formar los átomos (básicamente hidrógeno y, en menor proporción, helio). Se empezaron a formar los bloques de la materia y los fotones quedaron libres y empezaron su viaje hacia nosotros, en esta magnífica radiación que aún hoy nos envuelve.

Estos fotones han perdido mucha energía, como decíamos. Están ahora a unos 270ºC bajo cero, es decir, muy cerca de la temperatura más baja que podemos obtener que son -273,15ºC. Pero no fue así cuando se emitieron: el Universo estaba a unos 2.700ºC, como la mitad de temperatura de la superficie del Sol. Los diferentes colores en la imagen de Planck corresponden a minúsculas variaciones de temperatura respecto a esos 270 grados bajo cero, variaciones del orden de una parte en un millón, realmente muy pequeño. Las zonas rojas son un poquito más calientes que el resto; las azules, un poquito más frías. Pero estas minúsculas variaciones de temperatura nos dicen muchas cosas. Ahí está la información.

Para empezar, se pueden relacionar con zonas más densas de materia y menos densas en el primitivo Universo: si un fotón pasaba por una zona ligeramente más densa, tenía que perder más energía al atravesarla en contra de la gravedad, de modo que se enfriaba, y por eso las zonas más densas corresponden a las zonas azules; y a la inversa: en zonas menos densas, el fotón perdía menos energía y por tanto estaba más caliente, de modo que éstas corresponden a las zonas de color rojo.

Y a partir de esas diferencias de densidad, las zonas ligerísimamente más densas que el resto captaban más materia por atracción gravitatoria. Así que esa zona que inicialmente era solo un poco más densa, fue ganando en densidad y con el tiempo produjo la formación de galaxias y estrellas y todas las estructuras que contemplamos hoy en el cielo nocturno.

La huella de la geometría del Universo

Relacionado con esta distribución de materia, los fotones primitivos nos dicen también qué geometría tiene el Universo: en la práctica, su curvatura está relacionada con el tamaño de estos puntos o fluctuaciones que vemos en la imagen de Planck: cuanto más pequeño es este tamaño, mayor es la curvatura del Universo. Así, Planck puede decirnos si nuestro Universo es muy cerrado como una esfera, o muy abierto como una silla de montar a caballo, o si prácticamente no tiene curvatura, como una hoja plana. ¿Y qué creéis que nos dice Planck acerca de la forma que tiene el Universo? Pues según los datos de Planck, nuestro Universo es plano.

La detección del fondo de microondas también nos permite inferir cuál es la receta del Universo: Planck, como si fuera un gran chef, la ha refinado respecto a recetas anteriores: de hecho, solo conocemos el 5% del Universo, que es la materia ordinaria que conocemos; un 27% es un tipo de materia que no conocemos (llamada materia oscura) y que tampoco podemos ver porque no emite radiación electromagnética, solo la conocemos por sus efectos gravitacionales. Y lo que más abunda con diferencia en el cosmos, un 68%, es una forma de energía que no conocemos, a la que llamamos energía oscura.

Cálculo de la composición del Universo antes y después de las observaciones del satélite Planck

La mayor finura de Planck en las observaciones ha permitido también dar una nueva cifra para la edad del universo: ahora se estipula que tiene 13.820 millones de años, a diferencia de los 13.730 millones de años que nos daba su predecesor, WMAP: Planck nos ha dicho que el Universo es ligeramente más viejo de lo que creíamos.

Y también arroja una nueva cifra para la velocidad a la cual se expande actualmente el Universo -la llamada constante de Hubble- que Planck sitúa ahora en 67 km/s y megaparsec: esto es, galaxias alejadas la distancia de un megaparsec, que es muy grande (un megaparsec son 3,26 millones de años-luz), se alejan a esa velocidad. Esta cifra está en discrepancia -es, de hecho, menor- que la obtenida mediante otros medios de detección como el desplazamiento hacia el rojo observado en la radiación procedente de las galaxias, que arroja una cifra de 73 Km/s y megaparsec. Esta discrepancia debe aún explicarse.

La imagen de Planck y los neutrinos

Y también debe explicarse otra discrepancia: la imagen de Planck también nos habla de los llamados neutrinos estériles. Los neutrinos son partículas que interaccionan muy débilmente con la materia en condiciones habituales, pero tuvieron una interacción gravitatoria con el Universo primitivo que quedó grabada en la radiación del fondo de microondas. Uno de los números más buscados por los físicos de partículas es el llamado Neff. Este parámetro puede dar una aproximación al número de neutrinos existentes tras el Big Bang. El modelo estándar señala que este número debería ser 3, correspondiente a tres familias: los neutrinos electrónicos, los muónicos y los tauónicos, pudiéndonos imaginar los muones y los tauones como partículas similares a a los electrones pero más pesadas.

Sin embargo, observaciones cosmológicas recientes parecen favorecer Neff =4, y también varios resultados anómalos en física de neutrinos arrojan la idea de que hay más de tres. A esos neutrinos extra respecto a lo que indica el modelo estándar se les llama neutrinos estériles, nombre procedente del hecho de que, excepto la gravedad, no experimentarían ninguna otra atracción -ni siquiera la debida a la fuerza nuclear débil- y constituyen en la actualidad uno de los campos más activos en física de neutrinos. Estas partículas adicionales podrían también ser otro tipo nuevo de partículas sin interacción. Aún no lo sabemos. ¿Y qué nos dice Planck acerca de los neutrinos estériles? Pues que Neff = 3.20±0.23, es decir que no existirían neutrinos estériles, favoreciendo el modelo estándar y aportando con ello cierta desilusión -aunque un asunto más que explicar- a los fans de estos neutrinos.

Vemos pues que esta imagen que nos ha dado el satélite Planck nos dice muchas cosas, pero también entraña algunos misterios. Por ejemplo, parece ser que hay cierta asimetría en el brillo de las manchas: en un hemisferio de la imagen las manchas son más brillantes de lo que deberían ser; en el otro, menos de lo que deberían. Y no sabemos aún por qué.

Pistas sobre las ondas gravitatorias primordiales

La radiación del fondo de microondas nos podría hablar también de las ondas gravitatorias que se habían generado en el Universo en aquel momento: las ondas gravitatorias primordiales. Estas ondas dejarían una huella muy característica en la radiación del fondo de microondas, en concreto influirían en su polarización. Recordemos que la luz puede estar polarizada, es decir, tener en conjunto una dirección de oscilación escogida o privilegiada para su campo eléctrico. En general, al observar muchos fotones la polarización de cada fotón apunta en direcciones diferentes, de modo que no existe una dirección privilegiada: la suma de todas las polarizaciones es cero y decimos que la luz es no polarizada. Esta situación se puede modificar, por ejemplo, utilizando filtros llamados polarizadores, que solo dejan pasar el campo eléctrico que oscila en una determinada dirección, obteniéndose con ello luz polarizada (son los filtros que se usan por ejemplo en las gafas de sol polarizadas). Y parece ser que la radiación del fondo de microondas está ligeramente polarizada, es como si los fotones primitivos hubiesen pasado por un filtro polarizador.

Para estudiar la polarización del fondo de microondas, los físicos la descomponemos en dos tipos de polarización diferentes: los llamados "modos E" y "modos B". El primer tipo de polarización está causado por un "filtro" que sería un campo de tipo escalar (la magnitud que produce el campo tiene carácter escalar, no es un vector sino un número), mientras que la polarización de modos B estaría provocada por un "filtro" que sería un campo de tipo tensorial (la magnitud que produce el campo es un tensor, que podemos visualizar como la generalización de una matriz). Las ondas gravitatorias se describen matemáticamente como un tensor, de modo que generarían en la radiación del fondo de microondas una polarización tipo B. Pero en los datos de Planck no se ha encontrado aún polarización de tipo B, de modo que no tenemos aún evidencia de estas ondas gravitatorias primordiales en la radiación del fondo de microondas.

Como vemos, aunque hay mucho ya dicho en la imagen de Planck, quedan también muchas cosas por determinar: estos fotones primitivos, ellos, que nos rodean, guardan aún muchos secretos.

Gloria García-CuadradoFísica teóricaDirectora científica y colaboradora de Órbita Laika: La Nueva Generación@gloriagarciacu1