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Radiación cósmica de fondo de microondas
La radiación cósmica de fondo de microondas (CMB) es uno de los descubrimientos más importantes en cosmología y una poderosa evidencia para la teoría del Big Bang. Es la radiación de postluminiscencia del estado caliente y denso del universo, ahora enfriada por la expansión del universo y estirada a longitudes de onda de microondas. En esta lección, exploraremos el significado, descubrimiento, características e implicaciones de la CMB en el contexto de la cosmología y el marco de la relatividad general.
1. ¿Qué es la radiación cósmica de fondo de microondas?
La CMB es una radiación electromagnética omnipresente que llena el universo. Es un remanente de la fase más temprana del universo, también conocida como el "resplandor del Big Bang". Cuando el universo tenía alrededor de 380,000 años, estaba lleno de un plasma caliente y denso de fotones, electrones y protones. A medida que el universo se expandió y se enfrió, estas partículas se combinaron para formar hidrógeno neutro, permitiendo que los fotones viajaran libremente por primera vez en un proceso llamado "recombinación".
Transición de opaco a transparente
Antes de la recombinación, el universo era opaco porque los electrones libres dispersaban fotones de la misma manera que la niebla dispersa la luz. Una vez que estos electrones se combinaron con protones para formar hidrógeno neutro, el universo se volvió transparente, dejando a los fotones libres para viajar a través del espacio, creando lo que ahora vemos como la CMB.
2. Descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas
La existencia de la CMB fue descubierta accidentalmente en 1965 por los radioastrónomos estadounidenses Arno Penzias y Robert Wilson. Estaban experimentando con un receptor de radio y detectaron un ruido de fondo que era isotrópico e inequívoco. Esta radiación coincidía con las predicciones teóricas de Ralph Alpher y Robert Herman sobre el calor remanente del universo temprano, lo cual coincidía con la cosmología del Big Bang.
El descubrimiento de Penzias y Wilson les valió el Premio Nobel de Física en 1978. El descubrimiento fue un momento decisivo en la cosmología, proporcionando evidencia empírica para la teoría del Big Bang.
3. Características de la radiación cósmica de fondo de microondas
3.1 Temperatura
La temperatura de la CMB es notablemente uniforme, alrededor de 2.725 Kelvin, aunque tiene pequeñas variaciones (fluctuaciones de temperatura) del orden de una parte en 100.000. Estas variaciones en la temperatura son importantes porque se reflejan en la evolución de la estructura a gran escala del universo, incluyendo galaxias y cúmulos de galaxias.
3.2 Espectro
La radiación CMB exhibe un espectro ideal de cuerpo negro, lo que significa que obedece exactamente la ley de radiación de cuerpo negro de Planck. El espectro alcanza su punto máximo en longitudes de onda de microondas, alrededor de 1 milímetro, lo que corresponde a una temperatura de cuerpo negro de alrededor de 2.7 K.
[ E(nu, T) = frac{8pi hnu^3}{c^3} frac{1}{e^{(hnu/kT)} - 1} ]
Donde:
E(ν, T) = densidad de energía
ν = frecuencia
T = temperatura en Kelvin
h = constante de Planck
c = velocidad de la luz
k = constante de Boltzmann
4. Importancia de la radiación cósmica de fondo de microondas en la cosmología
4.1 Apoyo a la teoría del Big Bang
La uniformidad y el espectro de la CMB apoyan firmemente la teoría del Big Bang. Según este modelo, el universo comenzó como un punto increíblemente caliente y denso hace aproximadamente 13.8 mil millones de años y ha estado expandiéndose desde entonces. La presencia de esta radiación de fondo se alinea con el concepto de un origen caliente que continúa enfriándose y expandiéndose a lo largo de los siglos.
Ejemplo visual de la expansión del universo a lo largo del tiempo
4.2 Medición de la edad y estructura del universo
Al analizar la CMB, los cosmólogos pueden obtener información importante sobre la edad, estructura y geometría del universo. Las variaciones en la CMB proporcionan datos sobre la densidad de diferentes componentes del universo, como la materia oscura, la materia normal y la energía oscura.
4.3 Construcción de estructuras a gran escala
Las diminutas fluctuaciones vistas en la CMB son las semillas de todas las estructuras existentes. Exponen diferencias en la densidad que eventualmente crecerán bajo la influencia de la gravedad para formar galaxias, cúmulos y la red cósmica.
5. Relatividad general y la radiación cósmica de fondo de microondas
La teoría de la relatividad general de Einstein juega un papel clave en la comprensión de la CMB porque proporciona un marco para cómo la gravedad afecta la estructura a gran escala del universo. Las ecuaciones de la relatividad general describen cómo la expansión a lo largo del tiempo afecta a los fotones de la CMB que viajan por el espacio.
5.1 Ecuación de Friedman
Las ecuaciones que gobiernan la cosmología derivadas de la relatividad general son las ecuaciones de Friedmann. Relacionan la tasa de expansión del universo con su contenido energético.
[ left( frac{dot{a}}{a} right)^2 = frac{8pi G}{3} rho - frac{kc^2}{a^2} + frac{Lambda c^2}{3} ]
Donde:
a = factor de escala
G = constante gravitacional
ρ = densidad de energía
k = curvatura espacial
Λ = constante cosmológica
5.2 Corrimiento al rojo gravitacional
Según la relatividad general, la luz que viaja en el universo en expansión experimenta un corrimiento al rojo. La CMB, que fue liberada inicialmente con un corrimiento al rojo de 1100, se ha extendido a longitudes de onda más largas con el tiempo, un ejemplo de corrimiento al rojo gravitacional.
6. Experimentos y observaciones modernas de la CMB
Se han lanzado varias misiones satelitales y experimentos para estudiar la CMB en detalle. Quizás el más famoso es la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson (WMAP), que mapeó las fluctuaciones de temperatura con un detalle sin precedentes, llevando a modelos cosmológicos refinados.
Otra misión importante es el satélite Planck, que proporcionó las mediciones más precisas jamás realizadas de las fluctuaciones de la CMB, ayudando a comprender mejor la edad del universo, su tasa de expansión y la composición general de la materia.
6.1 Parámetros cosmológicos
Las observaciones de los experimentos de la CMB ayudan a los científicos a calcular parámetros cosmológicos esenciales, como la constante de Hubble, la densidad de materia oscura y materia bariónica.
Conclusión
La radiación cósmica de fondo de microondas es un sello distintivo de la teoría del Big Bang, proporcionando una puerta de entrada a las primeras etapas del universo. Ha sido una piedra angular para la investigación cosmológica, proporcionando información sobre la estructura y evolución del universo. A través del lente de la relatividad general, la CMB conecta el mundo microscópico de las partículas con la vasta expansión del universo, subrayando la interconexión de las leyes universales que rigen la física y la realidad.
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