Si fijamos un radiotelescopio lo suficientemente sensible en una dirección particular del cielo podremos sintonizar una señal muy débil con un máximo centrado en una frecuencia de unos 280 GHz, que corresponde al rango de las microondas en el espectro electromagnético. En casa podemos recibir una parte de la señal como parte de la nieve que llega a un canal de televisión en blanco.

Variación de la intensidad del fondo cósmico de microondas para diferentes frecuencias. El trazado continuo representa el mejor ajuste de una distribución debida a un cuerpo negro a 2.728 K. Las barras de error no pueden ser apreciadas por ser muy pequeñas en comparación con la escala de la representación. Como vemos, el acuerdo es espectacular. Los datos fueron obtenidos por el instrumento FIRAS (Far Infrared Spectrometer] del satélite de la NASA COBE (Cosmic Microwave Explorer).

    Si nuestro radiotelescopio fuera capaz de sintonizar frecuencias cercanas a los 280 GHz, observaríamos que la intensidad de la señal disminuye a ambos lados de una forma particular y sorprendentemente equivalente a la señal que mediríamos a la salida de un pequeño agujero realizado en las paredes perfectamente absorbentes de un objeto hueco (un cuerpo negro) a unos 2,73 grados por encima del cero absoluto de temperatura. Técnicamente se suele llamar a esta señal Fondo Cósmico de Microondas (es habitual utilizar las siglas inglesas CMB, de Cosmic Microwave Background).
    Sólo el modelo del Big Bang nos da una respuesta simple a la existencia de este fondo de microondas. Si el universo está en expansión, éste podría haber sido más pequeño, más denso y más caliente en el pasado. En algún momento la temperatura era tan alta que ni siquiera los átomos podían existir como tales, encontrándose los electrones desligados de los núcleos. En esas condiciones los electrones interaccionan con las partículas de luz (los fotones) de una forma muy eficiente. En otras palabras, la luz estaba en estrecho contacto con la materia alcanzando ambas un equilibrio térmico perfecto. Pero la expansión del universo enfriaba el entorno hasta que alcanzados unos 3000K los electrones empezaron a combinarse rápidamente con los núcleos formando átomos*. En ese momento la luz empezó a viajar libremente**, encontrando cada vez menos electrones a su paso. Esa luz sigue entre nosotros (unos 400 fotones por metro cúbico), pero la expansión del universo ha tenido como efecto el disminuir drásticamente la frecuencia hasta convertirla en microondas.
    El CMB fue dectectado por primera vez por dos técnicos de los laboratorios Bell,  Arno Penzias y Bob Wilson en 1965 (ver una historia detallada del la predicción y la detección de esta señal).
    Poco después del descubrimiento de la radiación de fondo, en 1967 Sachs y Wolf (1967, ApJ, 147, 73) sugerían que los primeros agrupamiento de materia que terminarían por formar las grandes estructuras galácticas que vemos en la actualidad podrían haber producido fluctuaciones de la intensidad de la radiación de fondo en regiones diferentes del cielo. Esto sería debido básicamente a que los fotones que nos han llegado desde regiones de mayor densidad de materia tienen que escalar la barrera mayor de potencial gravitatorio y perder energía (ver Martin White & Wayne Hu 1996 para una derivación pedagógica del efecto).

Diagrama espacio-tiempo "conforme" donde se representa la variación del potencial f(x) = -GM/r en el momento en que la radiación se desacopló de la materia (superficie del último scattering). Las zonas coloreadas de gris indican cúmulos de mayor densidad de materia (Fuente: Ned Wright's Cosmology Tutorial)


Sachs y Wolfe esperaban que las variaciones producidas fueran tan apreciables como del 1%. Pero hoy se sabe que el universo es mucho más homogéneo de lo que sospechaban Sachs y Wolf.

Representación de la temperatura de la radiación de fondo en todo el cielo en una escala de color tal que negro representa 0 K y blanco 3 K. Para apreciar diferencias, tendríamos que ser capaces de diferencial una variación del color de alrededor de algunas parte por diez mil (Ned Wright's Cosmology Tutorial)


El primer tipo de variación detectada fue la anisotropía dipolar en 1969 por Conklin. COBE produjo un mapa de esta anisotropía dipolar con mayor sensibilidad que el original de Conklin. Este tipo de anisotropía es debida al movimiento del Sistema Solar con respecto a un sistema de referencia comovil con la expansión del universo.

Anisotropía dipolar. La parte roja es más caliente por un factor v/c T0 y la zona azul más fría por el mismo factor. De ello puede ser inferida una velocidad del Sistema Solar con respecto al universo observable de 370 km/s en dirección a a = 11.2h, d = -7º. Podemos decir que un sistema de referencia donde esta anisotropía dipolar fuese cero constituye un sistema de referencia de particular importancia en cosmología que denominamos sistema de referencia comóvil y que puede usarse por cualquier observador para medir lo que se denomina su velocidad peculiar.

Las anisotropías debidas al efecto predicho por Sachs y Wolfe fueron medidas por COBE en un rango de algunas partes en 100,000

Mapa del cielo donde los diferentes tonos de color significan diferentes temperaturas con rojo más caliente y azul más frío. El mapa de la izquierda incluye la emisión galáctica y la anisotropía dipolar. En el mapa de la derecha han sido restadas todas las contribuciones quedando las anisotropías propias del efecto Sachs y Wolf y algo de ruido (¡o más bien bastante!) de los instrumentos de medida

Para entender un poco mejor lo que en realidad estamos viendo cuando miramos el mapa de las fluctuaciones obtenido por COBE vamos a construir un mapa similar de la superficie terrestre. Si COBE hubiera mapeado la Tierra de la misma manera hubiera obtenido (con alta resolución angular y sin ruido experimental) una representación bidimensional con el siguiente aspecto.

Sin embargo, la resolución angular máxima de COBE era de unos 7º, por lo que los detalles separados por menos de 7º quedarán borrados, obteniendo una imagen borrosa como la que se presenta a continuación.

Pero además los instrumentos de COBE presentaban gran cantidad de ruido, tal y como cuando uno tiene mal sintonizado un canal de televisión. Si añadimos una cantidad de ruido semejante a la de COBE, nuestra imagen se convertiría en

Pero afortunadamente un puede reconocer algunas formas dentro de este ruido suavizando un poco el mapa (de una manera similar al suavizado que hace algunos programas de retoque fotográfico), de tal manera que finalmente se obtiene

Este mapa es el análogo terrestre de la imagen de las fluctuaciones de la radiación de fondo obtenidas por COBE.

Pero no se decepcione el lector. El rango de fluctuación media equivale a unos 30 microKelvin en temperatura. Esto se puede convertir en potencial gravitatorio mediante el resultado obtenido por Sachs and Wolf y el resultado en una diferencia de potencial equivalente a una diferencia de alturas de 2 ua (unidades astronómicas), considerando una aceleración de la gravedad constante e igual a la existente en la superficie de la Tierra: los valles de potencial en el universo primitivo eran realmente bastante apreciables.

La resolución angular de COBE no permite observar los detalles de la formación de estructuras aún tan grandes como supercúmulos de galaxias (para ello se necesitarían una resolución al menos de medio grado). Sin embargo, si extrapolamos los resultados a menores escalas conseguimos que los pozos de potencial sean lo suficientemente grandes para formar las estructuras que vemos en la actualidad. Esto sería así si no hubiera algún efecto que también produjera cambios de energía de los fotones de la radiación de fondo. Si la mayoría de materia necesaria para explicar, con estos datos, la formación de estructura fuera materia bariónica normal, los electrones libres existentes antes de la recombinación, dispersarían a los fotones y sería un mecanismo responsable para que los datos no encajaran en la imagen de extrapolación de los datos de COBE a escalas más pequeñas. Por tanto es necesario invocar materia oscura no bariónica que no interaccionara con los fotones de la radiación de fondo.

La idea de extrapolar los datos de COBE a menores escalas proviene de las predicciones del modelo inflacionario de un espectro de fluctuaciones (tamaño de la variación de la temperatura con respecto a la distancia angular considerada) de igual potencia en todas las escalas. Los datos de COBE son en principio consistentes con este modelo

Comparación entre los datos de COBE y la predicción de un modelo con igual contribución de las fluctuaciones de la radiación de fondo en todas las escalas.Fuente: Ned Wright's Cosmology Tutorial

Pero, ¿qué fenómeno físico puede explicar las características del espectro de las variaciones de temperatura observado?. Siguiendo Inflación, las fluctuaciones cuánticas aleatorias producidas cuando el universo tenía la escala de Planck, fueron amplificadas por la expansión exponencial del universo hasta escalas cosmológicas, convirtiéndose en variaciones de densidad. En escalas grandes (mayores de 1º en el cielo actual), estas variaciones de densidad quedaron congeladas. Pero en la fase de gas caliente en el universo primigenio, las variaciones de la densidad en pequeñas escalas (<~1º) se propagarían al modo de ondas acústicas. Dicha onda acústica se producirían por el hecho de que los fotones de luz tienden a dispersar la materia mientras que ésta tira gravitatoriamente del entorno, produciéndose dos efectos contrapuestos: cuando la densidad disminuye debido a la acción dispersora de los fotones, su presión pierde eficiencia y empieza a ganar el tirón gravitatorio que vuelve a aumentar la densidad en un ciclo que se autoalimenta a sí mismo creando ondas acústicas.
 

Si pudiéramos estar en aquel ambiente infernal de la creación seríamos capaces de oír un ruido característico de esas ondas acústicas de densidad. Entre todo ese ruido distinguiríamos (con los oídos apropiados claro, de unos cuantos parsecs de tamaño) una nota particular que destaca entre todas las demás, una longitud de onda que la expansión del universo ha alargado unas 1100 veces de tamaño y que ahora podríamos observar como un máximo de variación de la temperatura del fondo cósmico entre dos regiones del cielo separadas angularmente algo menos de 1º.



Datos de COBE

Representación de las variaciones del fondo cósmico de microondas. Las zonas rojas corresponden a zonas ligeramente más calientes y las azules a zonas ligeramente más frías que la media de 2.73 K. Se representa la señal pura esperada producida por las ondas acústicas de periodicidad l = 2 correspondiente a una escala angular de 90º, de periodicidad l = 16, correspondiente a unos 11º y los datos obtenidos por COBE , donde supuestamente deben estar la contribución de todos los modos de oscilación. Fuente: Ned Wright's Cosmology Tutorial

    La razón de la existencia de una frecuencia que destaca sobre las demás está relacionada con el hecho de que los modos de oscilación acústicos no pueden estar coordinados más allá de la distancia que ha viajado la luz desde el comienzo del universo.
    Por su puesto que no podemos oír la música de la creación (¡bueno realmente sí!), pero sí al menos representar sus notas. La posición exacta de esa nota destacada depende de la densidad total de materia y energía del universo. Un poco más denso y la escala angular será algo mayor; un poco menos denso y la escala se hará menor.
 

Espectro de potencias del Fondo Cósmico de Microondas en escalas menor que ~1º. A partir de un determinado momento (zeq ~ 3200) el universo pasa de estar dominado por la radiación a estar dominado por materia. Las sobredensidades de materia oscura empiezan entonces a aumentar y a oscilar debido a las fuerzas contrapuestas de la gravedad y la presión de radiación. En el periodo del desacople entre la materia y la radiación  (Dz ~ 195) la presión de radiación es cada vez menor y el tamaño de la sobredensidad o las zonas de baja densidad determina la amplitud de la potencia como una función de la escala (compresiones y rarefacciones adiabática, es decir sin intercambio de calor con el medio). 

Figura extraída de Lineweaver 2003

El movimiento del gas produce además una contribución Doppler desfasado respecto a la contribución adiabática. Estas compresiones y rarefacciones quedan impresas en la radiación resultando un espectro análogo al producido por las ondas estacionarias producidas en un punteo de la cuerda de una guitarra. La dependencia del tipo de espectro con los parámetros cosmológicos puede verse con animaciones.

    En noviembre de 1999 llegaban a los medios de comunicación los resultados preliminares del proyecto Boomerang, un globo estratosférico provisto de un pequeño radiotelescopio capaz de medir variaciones de la temperatura del fondo de microondas en escalas de hasta 1/5 de grado. Los datos de la muestra obtenida, que cubría un 1% del cielo, fueron publicados en la revista Nature en Abril de 2000. Habían descubierto el rastro dejado por la contribución principal de las ondas acústicas. El denominado técnicamente primer pico Doppler estaba justo donde cabría esperar si la densidad total del universo fuera igual a la densidad crítica; el universo tiene geometría espacial euclídea, o en términos más coloquiales, el universo parece ser plano.

Datos observacionales de los diferentes experimentos que han medido variaciones de la temperatura del fondo cósmico de microondas con sus barras de error correspondientes. Se puede observar como el primer pico Doppler está bien delimitado a una frecuencia angular en torno a 200, justo lo esperado para un universo de densidad crítica. La curva azul corresponde al modelo estándar de materia oscura fría.Las zonas amarillas indican la sensibilidad esperadas en las medidas del satélite MAP que decrece rápidamente para escalas angulares menores que 1/5 de grado y mayores de unos 10º. Fuente: Ned Wright's Cosmology Tutorial

    El equipo del satélite de la NASA WMAP (antiguo MAP y rebautizado en honor del recientemente fallecido David T. Wilkinson) ha analizado el primer año de observaciones del fondo cósmico de microondas corroborando los resultados de observaciones anteriores.
 

Comparación entre los mapas de COBE y WMAP. La resolución angular de WMAP es unas 20 veces mejor (unos 20 minutos de arco). El azul más oscuro corresponde a temperaturas de unos 200 microKelvin por debajo de la media de 2,728 Kelvin. El color varía gradualmente por el espectro visible hasta el rojo más oscuro que representa temperaturas de 200 microkelvin por encima de la media.
Fuente: WMAP homepage


Separación del mapa de fluctuaciones en escalas mayores de 1º (arriba) y escalas menores que 1º (abajo). Las fluctuaciones mayores que un grado corresponden a la contribución de las fluctuaciones cuánticas congeladas y amplificadas en el periodo inflacionario hasta escalas de tamaño cosmológico en algún momento entre la época de Planck y el primer picosegundo (10-12 s).
El mapa de abajo muestra la contribución de las ondas acústicas cuando el universo tenía unos 400,000 años. 
Figura extraída de Lineweaver 2003




Medidas combinadas de todos los experimentos CMB realizados hasta la fecha para extraer la mejor representación disponible del espectro de potencias del fondo cósmico de microondas. En el eje horizontal está representada el modo de oscilación l (abajo) y la escala angular correspondiente en grados (arriba). En el eje vertical se representa la potencia en las fluctuaciones de temperatura (proporcional al cuadrado de las variaciones de temperatura relativas a la media.. La línea continua representa un modelo con WL = 0.743, WCDM= 0.213, Wb= 0.0436,  H0 = 72 km/s/Mpc. Figura extraída de Lineweaver 2003

Información de parámetros cosmológicos proporcionados por el espectro de potencias. WQ es el parámetro de densidad de energía oscura, w la relación entre presión y densidad en la ecuación de estado de la energía oscura y d el comportamiento de las fluctuaciones (variación de w con el tiempo básicamente). Se representan tres modelos difíciles de distinguir a simple vista pero bien diferentes desde el punto de vista de los datos. La línea azul corresponde a w = -1.2, la línea roja a w = -0.5 y la línea negra a w = -0.8. El valor actualmente preferido y compatible con las observaciones es w = -1 equivalente a una constante cosmológica. Fuente: Caldwell & Doran 2003

Más información en:

Anotaciones
* En realidad el hidrógeno se ioniza completamente a una temperatura de unos 100,000 grados. Pero en el universo temprano habían unos mil millones de fotones por cada protón y electrón. En equilibrio térmico y a una temperatura dada los fotones siguien una distribución energética de cuerpo negro, por lo que una fracción suficiente de fotones mantiene ionizando el hidrógeno hasta unos 3000 grados aproximadamente.
**Por supuesto el proceso de recombinación (curiosamente llamado así aunque ¡nunca hubo una combinación anterior!) no ocurrió instantáneamente, sino que tomó su tiempo. Nosotros sin embargo sólo vemos los fotones procedentes de la última superficie donde fueron dispersados al igual que sólo podemos ver la superfice de las nubes donde se dispersa la luz por última vez (superficie de último scattering). La superficie de último scattering tiene ciertas propiedades singulares. Imaginemos una muchedumbre de gente gritando que paran de repente de hacerlo (análogo con fotones dispersándose en el universo temprano que dejan de hacerlo en el momento de la recombinación). El observador (círculo negro), a medida que pasa el tiempo, oye gritos cada vez más apagados. Debido a la velocidad finita del sonido (análogo a la velocidad finita de la luz) los gritos más alejados van llegando retrasados con respecto a los más cercanos, de tal forma que en cada instante se forma una superficie de "último griterío" (last screaming) alrededor del observador (y situada a una distancia R = vsound t, siendo vsound la velocidad del sonido y t el tiempo transcurrido desde que se dejó de gritar). En nuestro universo y debido a su tiempo de vida finito, sólo podemos mirar hasta dicha superficie de donde aparentemente procede el fondo cósmico de microondas con un desplazamiento al rojo z = 3000 K (en aquel momento)/2.73 K (actual)  ~ 1100. Por supuesto, cualquier observador estará en las mismas condiciones de ver una superficie equivalente. Figura extraída de Lineweaver 2003

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