¿Qué es la radiación cósmica de fondo?

Una de las mayores ambiciones de los astrónomos es la de acercarnos lo máximo posible al momento exacto del Big Bang. Es decir, a aquel instante en el que, partiendo de una singularidad en el espacio-tiempo, toda la materia y energía que daría lugar al Universo observable actual, con 93.000 millones de años luz de diámetro, empezó a expandirse.

El Big Bang tuvo lugar hace 13.800 millones de años y, a día de hoy, el Universo sigue expandiéndose de forma acelerada. Y a pesar de que los avances en Astronomía han sido y son asombrosos, lo cierto es que hay una serie de limitaciones físicas que nos impiden ver qué pasó en el instante preciso del nacimiento del Cosmos.

Pero, desde 1965, disponemos de uno de los registros cosmológicos más importantes de la historia de esta ciencia: la radiación cósmica de fondo. Estamos hablando de un tipo de radiación electromagnética que llena todo el Universo y que es el eco más antiguo del Big Bang que podemos medir. Es gracias a este fondo cósmico de microondas que podemos ver lo más lejos (antiguo, mejor dicho) posible.

En el artículo de hoy nos embarcaremos en un apasionante viaje para entender exactamente qué es la radiación cósmica de fondo, cuál es su relación con el Big Bang, por qué es tan importante y cuáles son sus aplicaciones en Astronomía. Vamos allá.

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¿Qué es el fondo cósmico de microondas?

El fondo cósmico de microondas, también conocido como radiación cósmica de fondo, radiación del fondo cósmico o CMB (Cosmic microwave background) es un tipo de radiación electromagnética que llena todo el Universo y que es un conjunto de ondas que son el eco más antiguo del Big Bang.

En este sentido, la radiación cósmica de fondo son, de alguna manera, las cenizas del nacimiento del Universo. Pero, ¿qué relación tiene con el Big Bang? Bueno, aquí está lo más complicado. Y para ponernos en contexto, debemos viajar un poco hacia el pasado. Nada, 13.800 millones de años.

Bueno, primero debemos hablar de la luz. Como todos sabemos, todo aquello que vemos es gracias a la luz. Y la luz, pese a ser muy rápida, no es infinitamente rápida. De acuerdo a la relatividad de Einstein, la luz viaja a una velocidad constante de 300.000 km por segundo. Esto es muchísimo. Desde nuestra perspectiva. Pero es que las distancias en el Universo son endiabladamente enormes.

Por ello, siempre que vemos algo, realmente no estamos viendo cómo es, sino cómo era. Cuando miramos a la Luna, estamos viendo cómo era hace un segundo. Cuando miramos al Sol, estamos viendo cómo era hace 8 minutos. Cuando miramos a Alfa Centauri, la estrella más cercana a nosotros, estamos viendo cómo era hace unos 4 años. Cuando miramos a Andrómeda, la galaxia más cercana a la nuestra, la Vía Láctea, estamos viendo cómo era hace 2 millones y medio de años. Y así sucesivamente.

Mirar el Universo implica viajar hacia el pasado. Y cuanto más lejos miramos, teniendo en cuenta que la luz tardará más tiempo en llegar hasta nosotros, más hacia el pasado estaremos viendo. Dicho de otra manera, buscando los objetos más lejanos del Universo, más nos estaremos acercando al nacimiento del mismo.

De hecho, ten en cuenta que hemos descubierto galaxias que están a 13.000 millones de años luz de nosotros. Esto significa que su luz ha tardado 13.000 millones de años en llegar hasta nosotros. Por lo tanto, estamos viajando hacia el pasado hasta apenas 800 millones de años después del Big Bang, ¿verdad?

Entonces, si buscamos el punto más lejano del Cosmos, podremos ver el instante 0 del Big Bang, ¿no? Ojalá, pero no. Hay un problema que ahora comentaremos. Por ahora, basta con entender que la radiación cósmica de fondo es el registro electromagnético más antiguo que, por ahora, disponemos.

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El Big Bang y el fondo cósmico de microondas

Como hemos mencionado, hay un “pequeño” problema que nos impide ver (en lo que a captación de radiación del espectro visible, o luz, se refiere) el momento exacto del nacimiento del Universo o Big Bang. Y es que durante los primeros 380.000 años de vida del Universo, no había luz.

Hay que tener en cuenta que el Universo nació de una singularidad (una región en el espacio-tiempo sin volumen pero de densidad infinita) en la que toda la materia y energía que daría lugar a las 2 millones de millones de galaxias del Cosmos estaban condensadas en un punto infinitamente pequeño.

Como podrás imaginar, esto implica que la energía compactada en los primeros instantes de la expansión era increíblemente inmensa. Tanto es así que, en la trillonésima de trillonésima de trillonésima de segundo después del Big Bang (lo más cerca del nacimiento del Universo en el que los modelos matemáticos funcionan), la temperatura del Universo era de 141 millones de billones de billones de °C. Esta temperatura, conocida como temperatura de Planck, es, literalmente, la temperatura más alta que puede existir.

Esta inimaginable temperatura hizo que el Universo estuviera muy caliente durante sus primeros años de vida. Y esto provocó, entre otras cosas, que la materia no pudiera organizarse como lo hace ahora. No había átomos como tal. Debido a la ingente energía contenida en él, el Cosmos era una “sopa” de partículas subatómicas que, entre otras cosas, impedían a los fotones viajar por el espacio como lo hacen ahora.

El Universo era tan denso y estaba tan caliente que los átomos no podían existir. Y los protones y electrones, pese a ya existir, simplemente “bailaban” por este plasma que era el Universo primigenio. Y el problema de esto es que, la luz, que no puede evitar interactuar con partículas cargadas eléctricamente (como los protones y los electrones), no podía viajar libremente.

Cada vez que un fotón intentaba desplazarse, era inmediatamente absorbido por un protón, que posteriormente lo remitía. Los fotones, que son las partículas que permiten la existencia de la luz, eran prisioneros del plasma primigenio. Los rayos de luz no podían avanzar sin que una partícula los cazara al instante.

Afortunadamente, el Universo empezó a enfriarse y a perder densidad gracias a la expansión, lo que hizo que, 380.000 años después de su nacimiento, los átomos pudieran formarse. Los protones y electrones perdieron suficiente energía como para no solo juntarse en la estructura atómica, sino para permitir el viaje de los fotones. Y es que como el átomo es, en conjunto, neutro (por la suma de cargas positivas y negativas), la luz no interactúa con él. Y los rayos de luz ya pueden viajar.

En otras palabras, después de su nacimiento, el Universo era una “sopa opaca” de partículas subatómicas donde no había luz ya que los fotones estaban presos entre dichas partículas. No fue hasta 380.000 años después del Big Bang que, gracias al enfriamiento y pérdida de energía, fue posible la existencia de luz. Dicho de otro modo, no fue hasta 380.000 años después del nacimiento del Universo que, literalmente, se hizo la luz.

Y aquí es donde entra en juego la radiación cósmica de fondo. Y es que es el registro fósil de ese instante en el que se hizo la luz. Es decir, con el fondo cósmico de microondas estamos viajando hasta 380.000 años después del Big Bang. Con esta imagen, estamos viajando lo más lejos (y antiguo) que podemos. Concretamente, la radiación cósmica de fondo nos permite “ver” 13.799.620.000 años en el pasado. Pero, ¿por qué decimos “ver”? Ahora responderemos a esta pregunta.

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Las microondas y el nacimiento del Universo

Ya hemos entendido más o menos qué es la radiación cósmica de fondo y cuál es su relación con el Big Bang. Recapitulemos: el fondo cósmico de microondas es el eco que nos queda del momento en el que el Universo estuvo lo suficientemente frío como para permitir, por primera vez, la existencia de luz visible. Es, por lo tanto, el eco más lejano del nacimiento del Universo que podemos “ver”.

Decimos “fondo” porque detrás, pese a que sí que hay algo (380.000 años invisibles), es todo oscuridad. “Cósmico” porque viene del espacio. Y “microondas” porque la radiación electromagnética no pertenece al espectro visible, sino a las microondas. Y es este el motivo por el que siempre estamos hablando de “ver”.

Esta radiación cósmica de fondo inunda todo el Universo porque es el eco del nacimiento del mismo. Y, como hemos visto, procede de un momento en el que se hizo la luz. Por lo tanto, este fondo cósmico fue, en algún momento, luz. Exacto. En algún momento.

Entonces, ¿por qué no podemos verlo con telescopios? Porque la luz ha viajado durante tantísimo tiempo que ha perdido gran parte de su energía. Y es que sus ondas, pese a que fueron pertenecientes a la luz visible, la cual se encuentra en una franja del espectro electromagnético con una longitud de onda de entre 700 nm y 400 nm, han ido perdiendo energía.

Y al perder energía, estas ondas, van perdiendo frecuencia. Sus longitudes de onda son cada vez más largas. Es decir, estamos “viendo” algo que está tan lejos (y tan en el pasado), que la luz, durante el viaje, ha ido bajando de energía tanto que, ha dejado de tener una longitud de onda perteneciente al espectro visible.

Al perder la longitud de onda del espectro visible (primero se quedó en el rojo, que es el color del espectro vinculado a una menor energía), pero finalmente la abandonó y pasó al infrarrojo. En ese momento, ya no la podemos ver. La energía es tan baja que la radiación es, literalmente, la misma que emitimos nosotros. El infrarrojo.

Pero, por el viaje, siguió perdiendo energía y dejó de estar en el infrarrojo para pasar, por fin, a las microondas. Estas microondas son una forma de radiación de una longitud de onda muy larga (alrededor de 1 mm) que no puede verse, sino que se requieren de instrumentos de detección de microondas.

En 1964 se descubrió, por accidente, una radiación de microondas que parecían como interferencias en las antenas de una instalación científica. Descubrieron que acababan de detectar los ecos del Big Bang. Estábamos recibiendo una “imagen” (no es exactamente una imagen ya que no es luz, pero las microondas recibidas nos permiten procesar una imagen) que era, realmente, el fósil más antiguo del Universo.

En resumen, el fondo cósmico de microondas es un tipo de radiación ancestral que procede de un corrimiento de la luz que inundó por primera vez el Universo 380.000 años después del Big Bang hacia una zona del espectro electromagnético con ondas de una frecuencia baja asociada a las microondas.

Es, por ahora, la imagen más antigua que disponemos del Cosmos. Y decimos “por ahora” porque si fuéramos capaces de detectar los neutrinos, un tipo de partículas subatómicas increíblemente pequeñas que se escaparon apenas 1 segundo después del Big, podríamos obtener, pues, una “imagen” de apenas 1 segundo después del nacimiento del Universo. Ahora, lo más antiguo que tenemos es de 380.000 años después del mismo. Pero la detección de neutrinos es increíblemente complicada, pues atraviesan la materia sin interactuar.

Sea como sea, la radiación cósmica de fondo es una forma de ver lo más lejos y más antiguo posible. Es una mirada hacia las cenizas del Big Bang. Un modo no solo de responder a preguntas como cuál es la forma del Universo, sino de entender de dónde venimos y hacia dónde vamos.

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