A veces se producen grandes descubrimientos por pura casualidad, digamos que de chiripa. La historia que aquí se relata es uno de esos casos. Un equipo de científicos en la vanguardia de la astrofísica teórica y experimental buscaban la prueba definitiva que confirmase la teoría sobre el origen del universo popularmente conocida como del Big Bang o la Gran Explosión. Mientras tanto y no muy lejos, otros que no buscaban nada parecido a esto tropezaban con un molesto contratiempo en su trabajo rutinario en una antena de telecomunicaciones: un ruido estático constante que no había forma de eliminar y que finalmente parecía proceder de todas las partes del cielo. Sin llegar a sospecharlo siquiera, ese ruido uniforme y machacón que habían captado no era otra cosa que la radiación cósmica de fondo, la ansiada prueba experimental del Big Bang que con tanto ahínco estaban buscando los otros y que, de haberlo conseguido antes, hubiera supuesto para ellos la gloria de un gran hallazgo científico.
No sería la primera vez que alguien que dedica toda una vida de trabajo a perseguir un objetivo, ve cómo aparece alguien por ahí accidentalmente y se lleva el gato al agua y de paso, todos los honores.
Evidencias de la Teoría de la Gran Explosión
Ya nadie duda hoy que el universo, o al menos nuestro universo actual tal como alcanzamos a observarlo, tuvo su origen en un acontecimiento que sucedió hace unos 13 800 millones de años, cuando a partir de una singularidad o punto adimensional de densidad inimaginablemente alta, la materia con su energía empezaron a expandirse, a medida que se iba creando espacio e iba transcurriendo el tiempo, que empezaron a existir a partir de ese instante. Esto es lo que se conoce como la Teoría del Big Bang o de la Gran Explosión. Aunque admite algunas variantes, esta teoría describe cómo se ha ido expandiendo el universo y cuáles han sido los diferentes acontecimientos a escala cósmica que se han ido sucediendo desde el instante t = 0 hasta la actualidad, casi 4 millones de años después.
La idea original fue propuesta por el teórico belga G. Lemâitre en 1920 y aunque acuñó el popular término de Big Bang para el comienzo del universo, de ningún modo debe concebirse como una enorme explosión súbita de toda la materia infinitamente comprimida abriéndose paso a través de un espacio vacío que esperaba eternamente en el tiempo a ser rellenado de cosas. Más bien deberíamos tratar de entenderlo como una expansión súbita de la materia a medida que se iba creando el propio espacio y el tiempo, íntimamente relacionados entre sí, desde una singularidad que sería el comienzo de ambos. Por supuesto que la teoría tampoco se plantea en absoluto si existía algo antes (si es que la palabra “antes” tiene aquí algún significado) o qué pudo haber causado la Gran Explosión (si es que hubiese de tener alguna causa). La teoría de la Gran Explosión no trata de la “explosión” propiamente dicha sino de qué sucedió inmediatamente a continuación.
La Teoría tal como fue concebida originalmente llevaba implícita algunas consecuencias susceptibles de poder ser confirmadas experimentalmente y en tal caso probar su validez.
En primer lugar, el físico ruso A. Friedman predijo que, a consecuencia de la Gran Explosión, el espacio-tiempo estaría sufriendo una expansión continua y uniforme. La visión que tendríamos actualmente de dicha expansión sería un alejamiento de todos los cuerpos del universo unos con respecto a otros y con una distribución uniforme, al observar nuestro universo a gran escala, con independencia de la dirección y del punto de referencia desde el que mirásemos. En 1922, E. Hubble demostró la evidencia de la expansión del universo tal como se había predicho.
Otra consecuencia de la teoría que pudo ser confirmada fue la distribución relativa de los primeros núcleos atómicos que se habrían formado a los tres minutos de la Gran Explosión, distribución que coincide con la de los núcleos de origen no estelar que están presentes actualmente en el universo observable.
Pero la predicción teórica que, de ser confirmada experimentalmente, habría de probar definitivamente el acontecimiento de la Gran Explosión era la existencia de la denominada Radiación Cósmica de Fondo. La idea, propuesta originalmente por el físico teórico de origen ruso George Gamow y desarrollada en los años 60 por los astrofísicos estadounidenses Dicke y Peebles, afirmaba que si mirásemos en la actualidad (con un instrumento adecuado) a suficiente profundidad en el espacio, encontraríamos los restos de la radiación electromagnética que se habría liberado en enorme cantidad en el momento en que un universo en progresiva expansión, aún muy comprimido y caliente, se hizo transparente por primera vez. Este acontecimiento habría sucedido a los 500 000 años del origen del tiempo (transcurrido tan solo un 0,003 % de la edad del universo). Pero ¿qué es lo que se supone que debió ocurrir en ese momento? y ¿qué rastro dejó en nuestro universo actual?
Según la teoría, el universo primordial estaba extremadamente caliente y comprimido. Estaba tan condensado como para impedir que los fotones, portadores de la radiación electromagnética, pudiesen circular libremente sin ser absorbidos continuamente por las partículas de la materia; pero transcurrido medio millón de años, el jovencísimo universo ya se había expandido y enfriado lo suficiente como para producirse un cambio de fase que consistió en la formación por vez primera de los átomos más ligeros, los átomos de hidrógeno. A partir de ese momento, en el que bajó la probabilidad de los fotones de ser reabsorbidos por la materia, quedaron libres de repente (a escala temporal universal, se sobreentiende). Desde aquel instante acontecido hace unos 13 000 millones de años, la radiación que constituía esa especie de “gas” de fotones que permeaba la materia de un jovencísimo universo todavía muy caliente y comprimido, se habría ido enfriando y expandiendo gradualmente hasta la actualidad, de tal manera que ahora la frecuencia de dicha radiación se correspondería, según los cálculos, con la de un cuerpo enfriado hasta la temperatura absoluta cercana a los 3 K (unos -270 ºC). Esta temperatura corresponde a una frecuencia de radiación en la región espectral de las microondas.
Aquella radiación liberada al poco tiempo del Big Bang, estaría llegando hoy desde los confines del universo, de forma homogénea a cualquier punto del mismo desde donde se quisiera observar, en forma de una radiación de fondo de microondas monótona, uniforme y a una temperatura de radiación de unos 3 K. Si se detectase esta radiación de fondo sería como poder escuchar “el eco del Big Bang”. La prueba definitiva de esta teoría.
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| Interpretación actual de la expansión del universo desde la Gran Explosión (vértice izquierdo) hasta la actualidad, donde se muestra el momento de la aparición de la radiación cósmica de fondo. (NASA/WMAP Science Team) |
Penzias, Wilson y el ruido de la antena de Holmdel Horn
Esta historia comienza en
Holmdel (Nueva Jersey) a principios de los años 60 del siglo pasado. Allí se
había instalado una antena de radiofrecuencias de onda corta con forma de
cuerno que pertenecía a los laboratorios de la Bell Telephone. Se trataba de un
instrumento potente y preciso diseñado en 1960 con el fin de establecer
comunicación con los primeros satélites de telecomunicaciones Echo y Telstar.
Actualmente está fuera de servicio y es un monumento nacional de EE.UU.
En 1964, Arno A. Penzias y Robert W. Wilson, dos jóvenes radioastrónomos norteamericanos empleados de la Bell Telephone, estaban trabajando en adaptar la antena para recibir y catalogar las señales procedentes de cualquier dirección del cielo, con aplicación al desarrollo de la nueva tecnología de las telecomunicaciones. La antena podía captar señales en la franja espectral de las microondas (ondas electromagnéticas de onda más corta que las de radio, de frecuencias en torno a 1010Hz).
Un día, la antena empezó a
captar un ruido extraño y molesto parecido al ruido aleatorio que aparece en
los aparatos de radio cuando no sintonizan ningún canal. Aunque se trató de continu
ar
con el trabajo rutinario, el ruido persistía.
Al principio Penzias y Wilson interpretaron esta señal como una interferencia de origen electrostático originada en la propia antena y, para solucionarlo, dedicaron bastante tiempo a revisar todas las conexiones, los aislamientos y las juntas de las piezas, pero aún así no consiguieron deshacerse del impertinente ruido. En un momento dado creyeron dar con la causa del problema. Debía ser, según sus propias palabras, la acumulación en la estructura de la antena de “cierta cantidad de un material dieléctrico blando”, lo que dicho en un lenguaje más llano no era otra cosa que la caca de unas palomas que habían anidado ahí. Sin embargo, tras proceder a las tareas de limpieza, ese ruido continuo y persistente seguía apareciendo. Fue entonces cuando empezaron a pensar que tal vez la causa de la interferencia no fuera un fallo de la antena sino una señal procedente del exterior.
Descartado pues el origen local y tras hacer innumerables pruebas, Penzias y Wilson se dieron cuenta de que el misterioso ruido continuo era debido a una radiación de microondas uniforme y constante captada por la antena que persistía independientemente de la orientación del cielo a donde apuntasen, de si era de día o de noche o de la estación del año en que estuviesen.
Llegados a este punto, Penzias y Wilson decidieron ponerse en contacto con Bernard Burke, un radioastrónomo del MIT de Massachussets, por si acaso pudiera ayudarles a desvelar la naturaleza y origen de la misteriosa radiación. Burke sugirió que dada la persistencia de la señal y su independencia de la orientación y del tiempo, debería tener un origen cósmico y muy posiblemente extragaláctico, por lo que les sugirió que se pusieran en contacto con un equipo de profesores de la Universidad de Princeton (N.J.) de los cuales sabía que estaban investigando algo importante que tal vez pudiera tener relación con lo que se estaba detectando en la antena de Holmdel. Y entonces Penzias y Wilson, todavía sin saber la naturaleza del misterioso ruido continuo de microondas que no dejaban de detectar, se decidieron a llamar por teléfono a Princeton, con la esperanza de dar con la causa de lo que para ellos todavía no era más que un problema.
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| Wilson y Penzias en la Horn Antenna de Holmdel. Noviembre de 1965. (Morven Museum & Garden) |
Peebles, Dicke y la búsqueda de la radiación cósmica de fondo
En el año 1965, casualmente a no más de 50 km de distancia del lugar donde Penzias y Wilson acababan de toparse de forma accidental con su misteriosa señal, un equipo de investigadores de la Universidad de Princeton que no tenía nada que ver con lo que estaba aconteciendo en la antena de Holmdel estaba tratando de materializar una de las predicciones de la teoría de la Gran Exposión que, de ser confirmada, supondría la prueba definitiva de su veracidad: La existencia de la radiación cósmica de fondo de microondas a 3 K. El equipo de Princeton lo componían R. Dicke, P.J.E. Peebles, P.G. Roll y D.T. Wilkinson.
James Peebles era un joven astrofísico teórico de la Universidad de Princeton que en 1964 había dado un seminario en la JHU de Baltimore sobre la teoría de la Gran Explosión. Ahí presentó sus propias ideas sobre las características de la hipotética radiación de fondo que debería estar presente aún hoy en todo el cosmos.
Robert Dicke, por aquellas fechas, era ya un curtido investigador experimental que ya en 1946 había diseñado un radiómetro diferencial de microondas, un detector de radiación térmica muy sensible que permitía detectar diferencias de temperatura en distintas direcciones del cielo, aparato que debidamente mejorado, estaba utilizando ahora junto a sus colegas de Princeton con la intención de encontrar por fin la tan esperada radiación cósmica de fondo. Dicke había determinado experimentalmente que dicha radiación debería corresponder a una temperatura inferior a 20 K, lo que avalaba la estimación teórica de Gamow, que en 1948 ya había calculado que la radiación liberada tras la Gran Explosión debería estar actualmente a una temperatura próxima a los 3 K.
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| Wilkinson, Peebles y Dicke con su radiómetro en Princeton a finales de los 70. (P.J.Peebles. Nobel Lecture 2019) |
Y por fin el gran descubrimiento
Atareados en dar caza a la esperada radiación de fondo se encontraban Dicke y sus colaboradores cuando un buen día Dicke recibió una llamada de teléfono desde Holmdel. Efectivamente, era la llamada de Penzias y Wilson, que estaban buscando una explicación (y de paso una solución) a su problema relacionado con la inoportuna radiación que estaba captando su antena. Ellos habían llegado hasta Dicke tras una sucesión de contactos y llamadas que tal vez tuviesen su origen en la conferencia que había dado Peebles el año anterior. Penzias y Wilson explicaron detalladamente a Dicke su problema con el ruido de fondo captado por la antena y sus características, como su frecuencia en la banda de las microondas, su probable procedencia extragaláctica y su continuidad e independencia direccional. Cuando Dicke colgó el teléfono les dijo a sus colegas de Princeton: “Bueno chicos, ¡se nos han adelantado”.
Dicke supo en aquel mismo instante que ese ruido molesto que Penzias y Wilson estaban detectando en su antena no era otra cosa que la radiación cósmica de fondo que había predicho Gamow y que el propio equipo de Dicke estaba buscando con tanto ahínco y que posiblemente estuviese a punto de encontrar. Ahí estaba por fin la prueba más evidente de la Gran Explosión como origen de nuestro universo. Un gran hallazgo científico en el que la casualidad había jugado un importantísimo papel.
El final de la historia es bien conocido. La teoría del origen del universo por la Gran Explosión fue finalmente confirmada. Penzias y Wilson recibieron en 1978 el premio Nobel de Física como protagonistas de tal descubrimiento. Ni Dicke ni Peebles ni ninguno de sus colegas de Princeton, por no hablar ya de Gamow, pudieron al menos compartir tal honor, un hecho que generó y aún hoy sigue generando mucha discusión. Al final, Premio Nobel a los que pasaban por allí y palmadita en la espalda, con la simpatía de la comunidad científica, a los que trabajaron en ello e identificaron la verdadera trascendencia del hallazgo. Al menos a Peebles aún le quedaría el consuelo de recibir el Nobel en 2019 en reconocimiento a sus aportaciones teóricas a la comprensión del universo.
Y para terminar, una curiosidad. La detección de la radiación cósmica de fondo es algo que todos hemos experimentado alguna vez al sintonizar un viejo aparto de TV en algún canal donde no se capte ninguna cadena. Aproximadamente un 1% de los puntos luminosos que componen el ruido estático aleatorio que muestra la pantalla corresponde a los fotones procedentes de la Gran Explosión que hoy componen la radiación de fondo. Cuando no haya otra cosa mejor que ver en la tele, siempre podremos echar un vistazo en directo a “El eco de la Creación”
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Mapa actual de la radiación de fondo de microondas obtenido por el telescopio espacial Plank. En él se pueden observar las irregularidades aleatorias de su distribución dentro de la homogeneidad e isotropía general del fondo cósmico. (ESA and Plank collaboration) |
Bibliografía
BILL BRYSON. Una breve historia de casi todo. RBA libros. (2005)
JAMES TREFIL. El momento de la creación. Biblioteca científica Salvat (1986)
JAMES TREFIL. 1001 Cosas que todo el mundo debería saber sobre Ciencia. Plaza & Janes (1992)
PÉREZ TORRES, M.A. Penzias, Wilson, Dicke y el fondo de microondas. Astronomía. S.E.A. 187 (74,75) (2005)
STEPHEN HAWKING. Historia del tiempo. Del big bang a los agujeros negros. Ed.Crítica (1988)