El
Universo primitivo
[índice
de contenidos de cosmología]: [resumen][introducción][el
principio cosmológico][el universo
en expansión][El significado de la
expansión][La dinámica de la
expansión y el problema de la masa oscura][El universo
primitivo][Conclusiones][Poscriptum][Bibliografía]
En el principio Dios creo la radiación y el
ylem. [Entonces Dios empezó a dar nombre a los elementos] y
con la excitación del momento, Dios olvidó crear el
número cinco, y por eso no pudieron formarse elementos más
pesados.
Dios estaba muy contrariado y primero quiso contraer
el Universo de nuevo, y empezarlo todo desde el principio. Pero eso
sería demasiado simple. Así que, siendo todopoderoso,
Dios decidió corregir su error de la manera más
imposible.
Y Dios dijo: "hagáse Hoyle". Y allí
apareció Hoyle. Y Dios miró a Hoyle...Y le dijo que
fabricara los elementos de cualquier forma que a él le
complaciera.
Y Hoyle decidió fabricar los elementos pesados
en las estrellas y esparcirlos a todos lugares mediantes las
explosiones de supernovas.
George Gamow (incluído
en su autobiografía My World line)
La historia del descubrimiento e
interpretación de la radiación
cósmica de fondo (de ahora en adelante RCF) es un perfecto
ejemplo de la curiosa manera en que progresa la ciencia. Lemaître
fue el primero en especular sobre la física y los posibles
residuos observables de las primeras fases del universo en expansión:
"la evolución del mundo puede
ser comparada a una exhibición de fuegos artificiales que
acaba de finalizar: algunos residuos rojos, cenizas y humo. Puesto en
funcionamiento a partir de estas bien enfriadas cenizas, vemos el
lento desvanecimiento de innumerables soles y tratamos de rememorar
el desaparecido fulgor que dio origen a los mundos".
La búsqueda del origen
de los elementos químicos llevó a la gente a
considerar la posibilidad de que la materia hubiera atravesado una
fase densa y lo bastante caliente para producir reacciones nucleares
que pudieran haber construido los elementos. Subrahmanyan
Chandrasekhar (1910-95), astrofísico norteamericano de origen
hindú y premio Nobel, junto a su colaborador L.R. Henrich
concluyeron en 1942 que si la materia ha alcanzado el equilibrio
térmico a una densidad de ~107 g/cm3 y a
una temperatura de ~1010 K y si las abundancias de
elementos ligeros fueron congeladas en ese punto a causa de la rápida
expansión y enfriamiento del universo, entonces las
abundancias relativas de los elementos más ligeros (hidrógeno
y helio) estarían en razonable acuerdo con las observaciones.
También en la década
de los cuarenta, George
Gamow (1904-68) puso énfasis en que el modelo de
equilibrio térmico de Chandrasekhar era cuestionable puesto
que no consideraba la alta tasa del expansión y la variación
de la eficiencia de las reacciones nucleares dentro de un
material que se enfría continuamente15.
En otras palabras, lo cálculos de Chandraskhar no eran
dinámicos. El primer paso en esta dirección lo dio el
propio Gamow, junto a Ralph A. Alpher (n.1921), en un famoso artículo
de 1948 conocido como el artículo "abg"
donde el nombre de Hans
A. Bethe (n.1906) fue añadido en la firma para completar
la simetría "Alpher, Bethe, Gamow", una muestra del
ya legendario sentido del humor de Gamow. En el escrito se sugería
que los elementos fueron construidos mediante una rápida
captura de neutrones que se convertían en protones mediante
desintegración beta. Este análisis usó
la sección eficaz16
de captura de neutrones de ~1 MeV
de energía que había sido hecha pública al final
de la Segunda Guerra Mundial, en un ejemplo de uso pacífico de
las investigaciones que se llevaron a cabo en Los Alamos, dentro del
proyecto Manhattan.
Gamow
y Alpher pensaron que ésta había sido la manera en la
que habían sido creados todos los elementos químicos. Y
esto sigue siendo cierto, aunque actualmente se sabe que este proceso
no fue más allá de los primeros elementos de la tabla
periódica. Los elementos químicos más pesados
fueron formados más tarde, en el interior
de las estrellas. Gamow, sin embargo, no prestó atención
a un hecho de importancia capital para una posible predicción
susceptible de comprobación experimental: sus cálculos,
llevado un poco más lejos de lo que Gamow lo hizo, predicen la
existencia de un campo de radiación que baña el
universo y equivalente al generado por un cuerpo
negro en equilibrio térmico que se encontrara a una
temperatura de unos 4 K. En 1948 Alpher y Robert Herman (n.1922)
corrigieron algunos errores en los cálculos de Gamow e
hicieron la primera estimación numérica de la
temperatura del campo de RCF, de unos 5 K.
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Las abundancias de elementos que predicen
los cálculos de nucleosíntesis primordial dependen
drásticamente de la densidad de bariones. En la figura se
muestran las abundancias relativas de Helio, Deuterio y Litio. La
banda amarilla muestra el rango que permite las observaciones
actualmente: obsérvese que ya es un hecho extraordinario
que las observaciones se ajusten con tanta precisión a la
teoría. Esto implica -según la indeterminación
de la constante de Hubble- una densidad
de bariones en algún lugar entre una centésima y
seis centésimas de la densidad
crítica.
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En
la década de los cincuenta y en los primeros años de
los sesenta, la imagen de Gamow-Alpher de los primero estadios del
universo no fue del todo olvidada. Un ejemplo es un artículo
de Gamow de 1956 sobre "La importancia de la Radiación
Térmica en Cosmología". Sin embargo, éste
no fue ampliamente discutido y la atención se había
trasladado a la formación de elementos
en los interiores estelares, en parte porque el proceso de
captura de neutrones señalado en el artículo "abg"
era efectivo sólo hasta el 4He, puesto que los
núcleos siguientes de 5 y 6 nucleones son inestables, y en
parte porque el Modelo de Estado Estacionario17,
donde nunca había existido un tiempo en el que el universo
fuese caliente y denso, era generalmente aceptado en aquellos días.
Había, sin embargo, algunas
primeras pistas muy notables para la validez del escenario de
Gamow-Alpher. Una era el creciente reconocimiento de que la
abundancia de helio en las estrellas y en las nebulosas gaseosas es
sorprendentemente uniforme, sugiriendo la presencia primigenia de
este helio, anterior a la formación estelar. Otra pista era la
temperatura de excitación del cianógeno interestelar.
El cianógeno es una molécula formada por un átomo
de carbono y otro de nitrógeno que ha sido detectada en nubes
interestelares, que se encuentran en la línea de visión
de alguna estrella, gracias a líneas espectrales que indican
la rotación de algunas de estas moléculas que parecen
estar en equilibrio con un campo de radiación equivalente a
una temperatura de 2,3 K, según cálculos de A. McKellar
en 1941. Esta temperatura es del mismo orden que la estimada por
Alpher, pero la conexión entre estos dos cálculos no
fue reconocida hasta después de que se hubiera propuesto una
explicación para el origen de la RCF.
La
evidencia directa de que hubo un universo primitivo de alta densidad
y temperatura podría ser la detección de la RCF. Este
punto fue reconocido independientemente y alrededor de la misma época
(a principio de los sesenta) por Robert Henry Dicke (n.1916) de
Princeton y por el grupo de Yaakov
Borisovitch Zel'dovich (1914-87) en Moscú. Doroshkevich y
Novikov (del grupo de Zel'dovich) señalaron en 1964 que uno
podría encontrar un límite de la temperatura de la RCF
que sería de gran utilidad, utilizando los informes publicados
por los laboratorios Bell Telephone de su radiotelescopio situado en
Holmdel, New Jersey. El radiotelescopio Holmdel fue usado en el
experimento del satélite Echo como parte de los primeros
intentos de comunicación vía satélite. Estudios
detallados de las propiedades de ruido del telescopio y del equipo
receptor llevaron a detectar un exceso de ruido que era, según
palabras textuales del propio informe "algo mayor que el
exceso esperado por la contribución de los lóbulos
posteriores18 de
una antena similar". Doroshkevich y
Novikov interpretaron la descripción de las propiedades de
ruido de la antena como un límite superior a la temperatura de
la RCF de ~1K. Pero para este valor de la temperatura de la RCF, la
abundancia de helio esperada por el modelo de Alpher-Gamow parecía
irrazonablemente elevada.
La
antena de los laboratorios Bell era un instrumento denominado
radiómetro, un aparato inventado por Dicke como parte de una
investigación durante la Segunda Guerra Mundial en el
laboratorio de radiación del MIT. Dicke usó ese
instrumento en 1946 para medir radioondas en longitudes centimétricas
procedentes del vapor de agua de la atmósfera terrestre, o
procedentes del Sol y de la Luna, y situó el límite
superior para la contribución del la "radiación
de la materia cósmica" alrededor de 20 K. En 1964
Dicke propuso la construcción de un radiómetro que
podría ser capaz de detectar la radiación térmica
procedente de las primeras fases del universo. Pero en aquellos días,
incluso el propio Dicke se había olvidado de sus propias
medidas de 1946 y tampoco estaba enterado de los problemas con el
exceso de ruido en un radiómetro en Holmdel, a una treintena
de millas de allí. Peter Roll y David Wilkilson en la
universidad de Princenton, siguiendo la sugerencia de Dicke,
construyeron un radiómetro capaz de detectar la RCF, mientras
que el propio Dicke asignaba a P.J.E. Peebles (n.1935) la labor de
pensar en el posible significado teórico de la detección
o de la no detección de esta RCF. Esto llevó a Peebles
al redescubrimiento de los trabajos de Gamow sobre la producción
de elementos ligeros y a presentar este trabajo en un coloquio en el
laboratorio de física aplicada John Hopkins situado en
Baltimore. Allí argumentó que la temperatura de la RCF
podría ser tan alta como 10 K, lo cual podría estar
bien dentro del alcance del experimento Roll-Wilkinson. Estas
palabras fueron oídas por un tal Ker Turner, presente en el
coloquio, y transmitidas posteriormente a Bernie Burke, quien junto
con Turner transmitieron la predicción de Peebles a la
institución Carnegie en Washington (entonces un centro de
radioastronomía), y de allí partió la noticia
hacia Arno Penzias y Bob Wilson en los laboratorios Bell Telephone en
Holmdel.
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Penzias y Wilson
estaban intentando usar el radiotelescopio de Holmdel (ver
fotografía a la derecha) para fines astronómicos,
pero eran incapaces de entender un exceso de ruido que algunas
veces de presentaba en el instrumento. Un posterior encuentro
entre los grupos de Princeton y Holmdel los llevaría a la
conclusión de que el origen del exceso de ruido era
probablemente extraterrestre. Puesto que el exceso de ruido era
claramente isotrópico, es decir, que no dependía de
la dirección en la que la antena fuera apuntada, esta
medida fue interpretada por el grupo de teóricos de
Princeton como una detección directa de la RCF. En una
entrega del Astrophysical
Journal de 1965 aparecía un breve articulo
de Penzias y Wilson anunciando humildemente un exceso de ruido en
su antena equivalente a una radiación isótropa de
3,5±1 K de temperatura medida a una longitud de onda de 7
cm.
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En el mismo número se
publicaba la interpretación teórica del grupo de
Princeton con Dicke a la cabeza. En el artículo no se hacía
mención alguna a los trabajos de Gamow, ni a la predicción
de 1948 de Alpher y Herman. Sin embargo la deuda con éstos
sería reconocida posteriormente por Peebles, primero en su ya
clásico texto de 1971 "Principles of Physical Cosmology"
donde reconoce la labor de Gamow, y más tarde, en 1993, con su
nueva edición donde evalúa de una forma concisa y
brillante los hechos históricos que condujeron al
descubrimiento de la RCF y que es fuente principal de este escrito
(Peebles
1993).
El descubrimiento de Penzias y
Wilson fue sin duda uno de los hechos más importantes de la
ciencia del siglo XX, y sin embargo las maneras de actuación
de teóricos y experimentadores ante la cuestión de la
RCF como reliquia de un universo primigenio denso y caliente no deja
de sorprender a propios y extraños. El libro de Steven
Weinberg "Los
tres primeros minutos del universo" contiene una interesante
digresión histórica sobre este punto. Además,
este libro, publicado por primera vez en 1977, que no pretendía
ser un tratado técnico sobre el universo primitivo, estaba
suficientemente bien escrito por un prestigioso físico teórico
como para interesar a científicos profesionales y es, casi con
seguridad, el único libro de divulgación que es citado
a veces en revistas especializadas. Fue el propio Weinberg quien
acuñó el académico nombre de Modelo Estándar,
traído de la física de partículas, al modelo del
Big Bang al que ridiculizaba Sir Fred Hoyle (n.1915) a principios de
los cincuenta cuando inventó este grotesco calificativo. No
cabe duda de que la actitud de Weinberg cambiaría la forma de
pensar de la comunidad científica, que unos años antes
no estaba dispuesta a tratar con seriedad cuestiones acerca de los
primeros estadios del universo, y que en 1978 decidían poner
un imprimatur al Modelo Estándar concediendo el premio Nobel a
Penzias y Wilson, trece años después de su
descubrimiento.
Unos
cuatro meses más tarde del descubrimiento de Penzias y Wilson,
el radiómetro de Roll y Wilkinson detectaba radiación
isótropa a una temperatura de 3.0±0,5 K en una longitud
de onda de 3,2 cm. La consistencia con el resultado de Penzias y
Wilson, a una longitud de onda unas dos veces mayor, fue un dramático
test positivo de la interpretación de una radiación
térmica primordial. Las futuras medias de la radiación
a diferentes longitudes de onda eran consistentes en general con una
distribución de Planck,
aunque aparecerían algunas discrepancias que provocarían
aluviones de artículos con posibles interpretaciones teóricas.
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La espectacular confirmación de que el
espectro de la RCF es uno de los más hermosos ejemplos
jamás encontrados en la Naturaleza de una distribución
de Planck de cuerpo negro, se produjo en 1990. Tras un
detallado análisis de los datos proporcionados por el
satélite COBE
(Cosmic Backgroun Explorer), se pudo fijar la temperatura actual
de la RCF con gran precisión en 2,728±0,02 K.
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Variación
de la intensidad de la RCF (en mJy/Sr) con respecto a la
frecuencia (×1011). Las barras representan
errores experimentales. El trazado continuo representa el mejor
ajuste de una distribución de Planck. Como vemos, el
acuerdo es espectacular.
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El satélite COBE
fue lanzado el 18 de noviembre de 1989, con tres instrumentos de alta
sensibilidad a bordo cuya construcción había sido
propuesta por tres grupos dependientes de la NASA en 1974, y con el
poco modesto objetivo de revolucionar nuestro conocimiento
observacional en cosmología. Y lo consiguieron, convirtiendo a
esta misión científica en una de las más
rentables de la astronomía espacial, al lado de misiones como
International
Ultraviolet Explorer (IUE) o IRAS (Infra-Red Astronomy
Satellite). Después de presentar la primera medida directa de
las fluctuaciones de la radiación cósmica
de fondo, George
Smoot, director científico del proyecto, en un arrebato de
misticismo científico, terminaba su libro "Wrinkles
in Time" ("Arrugas en el tiempo") con las
siguientes palabras:
"El concepto religioso de la creación
surge del asombro ante la existencia del Universo y el lugar que
ocupamos en él. El concepto científico trasluce un
asombro similar: estamos impresionados por la simplicidad última
y el poder creativo de la naturaleza física, y por su belleza
en todas las escalas"
Pero COBE
dejó demasiados interrogantes abiertos, pues su resolución
angular, así como su sensibilidad eran demasiado pobres para
ver en los mapas estructuras suficientemente significativas. Nuevas
misiones como MAP y PLANCK
ya están aventurándonos en la nueva Cosmología
del siglo XXI.
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Notas
15. Sería muy largo y fuera de mi objetivo
inicial el explicar todas las nociones que implican el estudio
detallado de los estadios del universo donde se dio la nucleosíntesis
primigenia. Remito el lector al libro de Weinberg, "Los
tres primeros minutos del universo" donde se explica todo
esto de una manera magistral. Un pequeño resumen de los
principales mecanismos de reacciones puede verse aquí.
Regresar
16. La sección eficaz de captura está
relacionada con la distancia a la que se tiene que aproximar dos
partículas para quedar atrapadas por efecto de su propia
interacción. Regresar
17. El Modelo de Estado
Estacionario tiene como base lo que se conoce como Principio
Cosmológico Perfecto, que establece que el universo no solo
tiene que ser homogéneo espacialmente sino también
temporalmente. Esto significa que el universo ha tenido la misma
apariencia en cualquier tiempo que consideremos, por lo que en este
modelo no tiene sentido hablar de ninguna fase inicial densa y
caliente.Regresar
18. Una antena de radio presenta una máxima
sensibilidad a la detección en una determinada dirección
del espacio, que habitualmente coincide con el eje central de
simetría de la antena. A medida que nos alejamos de este eje
de máxima sensibilidad, ésta disminuye con la distancia
angular de una manera característica que se conoce como
lóbulos principales (pues la representación de esta
variación tiene forma de mitad del símbolo infinito).
Sin embargo, existen efectos de borde que crean lóbulos
secundarios. Algunos de estos lóbulos pueden estar situados en
la parte posterior de la antena, presentando ésta una
sensibilidad residual a señales que llegan por la parte de
atrás de la antena, las cuales producen una contaminación
de la señal.Regresar
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J. Hernández