Radiación de fondo del universo

La interpretación del Big Bang surge de la observación de que las galaxias se están alejando unas de otras, sugiriendo que el Universo está en expansión. Si se extrapola esta expansión hacia atrás en el tiempo, las soluciones de las ecuaciones de FLRW llevan a un estado en el cual el Universo fue extremadamente denso y caliente. Esta fase inicial se denomina «Big Bang». No es tanto una explosión en un punto del espacio, como a menudo se malinterpreta, sino más bien una expansión del propio espacio desde un estado inicial extremadamente denso.

La evidencia observacional, como la expansión del Universo descubierta por Edwin Hubble, la radiación cósmica de fondo de microondas y la abundancia de elementos ligeros, apoya la idea de que el Universo ha estado expandiéndose desde un estado inicial muy caliente y denso, como predice la teoría del Big Bang. La idea del Big Bang no es una solución directa de las ecuaciones de la relatividad general, sino una interpretación de las soluciones de estas ecuaciones en un marco cosmológico específico. Es el modelo más aceptado.

Unos 380,000 años después del Big Bang, en una época conocida como la «recombinación» se originó la radiación de fondo del Universo. Antes, el Universo era tan caliente y denso que la materia estaba en forma de un plasma de protones, electrones y fotones. Los fotones eran constantemente absorbidos y reemitidos por las partículas cargadas, lo que les impedía viajar grandes distancias. A medida que el Universo se expandió, se enfrió lo suficiente como para que los electrones y los protones se combinaran para formar átomos de hidrógeno neutros, permitiendo que los fotones viajaran libremente por el espacio. Esos fotones liberados durante este tiempo forman lo que ahora vemos como la radiación de fondo del Universo.

La radiación cósmica de fondo de microondas es fundamental en Cosmología porque proporciona una instantánea del universo en su juventud y permite entender mejor su estructura, composición y evolución. A través de su estudio, los cosmólogos pueden determinar si el espacio es plano, abierto o cerrado; estimar la edad del universo; pistas sobre la cantidad relativa de materia ordinaria, materia oscura y energía oscura en el universo, etc. Es una ventana hacia los primeros momentos del Universo.

Arno Penzias jugó un papel crucial en la identificación y comprensión del Big Bang. A mediados del siglo XX, habían dos teorías alternativas sobre la creación del Universo: la Teoría del Estado Estacionario, liderada por Fred Joyle, según la cual el Universo había existido sin grandes cambios y la Teoría del Big Bang, que sugería un Universo iniciado en un punto extremadamente caliente y denso. En 1964, mientras Penzias trabajaba en los Laboratorios Bell junto con Robert Wilson, encontró una señal de radio persistente y omnipresente que inicialmente atribuyeron a un mal funcionamiento de su equipo o a interferencias externas.

Después de numerosas comprobaciones y eliminación de posibles fuentes de interferencia, la señal persistió y no se ajustaba a ningún fenómeno astronómico conocido en ese momento, todo un enigma; uniforme en todas direcciones. Resultó ser la primera evidencia observacional directa de la radiación cósmica de fondo de microondas, un remanente del Big Bang, cuya existencia había sido predicha teóricamente por Ralph Alpher y Robert Herman en la década de 1940, pero no se había observado y con Penzias, acreditó el Premio Nobel de Física en 1978. Se ha estudiado extensamente desde entonces, con misiones como COBE, WMAP y Planck, proporcionando una gran cantidad de información sobre la estructura a gran escala del Universo, su edad, composición y la naturaleza de su expansión. Penzias se ha despedido a los 90 años en enero de 2024.