Fondo Cósmico de Microondas: El Eco Térmico del Big Bang

La Radiación Fósil del Big Bang

El fondo cósmico de microondas (CMB) es la radiación electromagnética residual emitida aproximadamente 380.000 años después del Big Bang. En esa época, el Universo se había enfriado lo suficiente como para permitir la formación de los primeros átomos de hidrógeno, haciendo que el cosmos fuera transparente a la luz. Esta radiación, que entonces llenaba todo el espacio, fue estirada por la expansión del Universo hasta longitudes de onda centimétricas, correspondientes hoy a una temperatura media de \(2{,}725\ \text{K}\).

Un Cuerpo Negro Casi Perfecto

Las mediciones del satélite COBE (1989), luego de WMAP (2001-2010) y Planck (2009-2013), han mostrado que el espectro del CMB sigue notablemente bien la ley de la radiación de cuerpo negro.

Esta distribución espectral indica que el fondo cósmico de microondas es una radiación térmica en equilibrio, emitida por un plasma de fotones, electrones y protones que antes estaban en interacción constante.

N.B.:
Un cuerpo negro es un sistema físico perfecto que absorbe completamente toda la energía incidente y reemite una radiación que depende únicamente de su temperatura. Su espectro está descrito por la ley de Planck, que relaciona la densidad de energía espectral con la frecuencia \(\nu\) y la temperatura \(T\) según: \(\displaystyle B(\nu, T) = \frac{2h\nu^3}{c^2}\frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}\). El fondo cósmico de microondas es el mejor ejemplo natural conocido de radiación de cuerpo negro, con una desviación inferior a \(10^{-5}\) respecto a la teoría.

Anisotropías: Huellas de las Primeras Fluctuaciones

A pesar de su notable homogeneidad, el CMB presenta pequeñas anisotropías (fluctuaciones de temperatura del orden de \(10^{-5}\)). Estas inhomogeneidades son las huellas de las fluctuaciones cuánticas primordiales amplificadas por la expansión cósmica. Sirvieron como semillas para la formación posterior de las estructuras a gran escala del Universo.

Las misiones WMAP y Planck permitieron cartografiar estas anisotropías con una precisión sin igual, proporcionando restricciones esenciales sobre los parámetros cosmológicos como la constante de Hubble \(H_0\), la densidad de materia \(\Omega_m\) y la densidad de energía oscura \(\Omega_\Lambda\).

Polarización y Memoria del Universo Primordial

La polarización del fondo cósmico de microondas proporciona información adicional sobre los procesos físicos que tuvieron lugar antes de la recombinación. En particular, la detección de un modo de polarización de tipo B podría revelar la presencia de ondas gravitacionales primordiales, predichas por la teoría de la inflación cósmica formulada por Alan Guth (nacido en 1947).

Estas ondas gravitacionales habrían dejado una firma sutil en la textura de la radiación fósil, ofreciendo una prueba indirecta de los primeros \(10^{-35}\ \text{s}\) de la historia cósmica.

Una Ventana a la Física Fundamental

El fondo cósmico de microondas no es solo un vestigio del pasado; también es una ventana a la física fundamental. Las más pequeñas desviaciones medidas en su espectro y su polarización ponen a prueba los modelos del Universo FLRW y las predicciones de la relatividad general de Albert Einstein (1879-1955).

El análisis del CMB ha permitido confirmar que nuestro Universo es espacialmente plano con una precisión mejor que el 0,4%, y que la materia visible constituye solo alrededor del 5% del contenido energético total, siendo el resto compartido entre materia oscura y energía oscura.

N.B.:
El fondo cósmico de microondas no es observable en el dominio visible porque su radiación, inicialmente en el infrarrojo, ha sido estirada por el factor de expansión \((1 + z) \approx 1100\), situando hoy su máximo espectral alrededor de \(160\ \text{GHz}\).

Fuente: Equipo Científico de WMAP, Archivo Legado de Planck de la ESA.