Fondo cósmico de microondas

01 · Qué es el fondo cósmico de microondas

El fondo cósmico de microondas (CMB, Cosmic Microwave Background) es la radiación electromagnética que llena el universo en todas direcciones de forma casi uniforme. Su espectro es el de un cuerpo negro casi perfecto a una temperatura de 2,7255 K, lo que lo convierte en el mejor cuerpo negro jamás medido en la naturaleza.

No es la luz de ninguna estrella ni galaxia en particular: es la luz remanente del universo cuando este se volvió por primera vez transparente, unos 380.000 años después del Big Bang. Antes de ese instante, el cosmos era un plasma denso de electrones y protones libres que dispersaba continuamente la luz, igual que el interior del Sol. Cuando la expansión enfrió el plasma hasta unos 3000 K, los electrones se combinaron con los protones para formar átomos neutros de hidrógeno (un proceso llamado recombinación) y los fotones quedaron libres para propagarse. Esa luz, estirada por la expansión, es la que detectamos hoy en microondas.

02 · Descubrimiento (1965)

En 1964 los ingenieros Arno Penzias y Robert Wilson instalaron una antena de cuerno en los Laboratorios Bell de Holmdel (Nueva Jersey) para captar señales del satélite Echo. Por mucho que la calibrasen, una señal de microondas a 4080 MHz persistía, isótropa, día y noche, en todas las direcciones del cielo. Llegaron incluso a expulsar a las palomas del interior y a limpiar sus excrementos antes de aceptar que lo que medían era real.

A pocos kilómetros, en la Universidad de Princeton, Robert Dicke, Jim Peebles, Peter Roll y David Wilkinson estaban a punto de buscar exactamente esa radiación: dos décadas antes, George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman habían predicho que el Big Bang debía haber dejado un residuo térmico a unos pocos kelvin. Penzias y Wilson, sin saberlo, lo habían encontrado primero. Por ese descubrimiento recibieron el Premio Nobel de Física en 1978.

03 · Tres satélites, un mapa cada vez más nítido

Desde 1965, tres misiones espaciales han cartografiado el CMB con resolución y sensibilidad crecientes:

• COBE confirmó que el CMB es un cuerpo negro casi perfecto y detectó por primera vez las anisotropías del orden de 10⁻⁵. Sus dos investigadores principales, John Mather y George Smoot, recibieron el Nobel en 2006.
• WMAP estableció con precisión los parámetros del modelo estándar cosmológico: densidad de materia, materia oscura, energía oscura, edad del universo.
• Planck llevó la resolución y la sensibilidad al límite de lo que la luz misma permite (la cosmic variance) y midió además la polarización del CMB, ventana a la inflación cósmica.

04 · Qué nos cuenta su patrón

A simple vista el CMB es casi uniforme, pero al restar la temperatura media y amplificar las diferencias aparecen manchas calientes y frías de una parte en 100.000. Esas anisotropías no son ruido: son huellas acústicas del plasma primordial, ondas que se propagaron antes de la recombinación y que quedaron congeladas en el cielo cuando los fotones se liberaron.

El espectro angular de potencia de esas fluctuaciones — cuánta amplitud tiene cada escala angular — está predicho con detalle por la cosmología. Su comparación con los datos permite estimar:

• La edad del universo: 13.787 ± 0.020 Ga.
• La densidad de materia ordinaria (~5 %).
• La densidad de materia oscura (~27 %).
• La densidad de energía oscura (~68 %).
• La constante de Hubble: H₀ ≈ 67,4 km/s/Mpc desde el CMB (con una tensión persistente respecto a las medidas locales con cefeidas, próximas a 73).
• La geometría espacial: compatible con un universo plano dentro del 0,4 %.

05 · El dipolo y el movimiento del Sistema Solar

Si miramos el CMB en bruto, el contraste dominante no son las anisotropías cosmológicas: es un dipolo a escala completa, con un lado del cielo unos 3,4 mK más caliente que el opuesto. Es el efecto Doppler de nuestro propio movimiento a través del CMB: el Sistema Solar se desplaza a unos 368 km/s respecto al sistema de reposo cosmológico, hacia la constelación de Leo. Una vez descontado ese dipolo, lo que queda son las anisotropías intrínsecas.

06 · Polarización y la huella de la inflación

Los fotones del CMB no solo tienen temperatura: están ligeramente polarizados. Esa polarización tiene dos componentes:

• Modo E (polarización producida por las fluctuaciones de densidad), ya medida con detalle por WMAP y Planck.
• Modo B primordial, predicho por la inflación cósmica y aún no detectado de forma inequívoca; sería la huella de las ondas gravitacionales generadas en la primera fracción de segundo tras el Big Bang.

Detectar el modo B primordial es uno de los grandes objetivos de la cosmología observacional actual, con experimentos como LiteBIRD, Simons Observatory y CMB-S4 ya en marcha o en preparación.

Cuando miramos el CMB miramos, en cierto sentido, la fotografía de bebé del universo. Su uniformidad, sus fluctuaciones y su polarización contienen la mayor parte de lo que sabemos del cosmos a gran escala — incluida la sospecha, todavía sin confirmar del todo, de que en su primera fracción de segundo el espacio mismo creció exponencialmente.