Cuando surgió la luz y todo se hizo transparente

El contertulio Kike, en uno de sus muy acertados comentarios, nos hablaba de la enorme importancia que la luz tenía en nuestro Universo, y, desde luego, no le faltaba razón para creerlo. La luz en sus múltiples formas, es un ingrediente primordial en el Cosmos y, allí donde esté presente la materia estará también la luz, toda vez que, las dos, son la misma cosa. Pero hablemos ahora de radiación.

La radiación cósmica de fondo, llamada también «radiación anti-rradiante», nos revela el estado de la antigua materia cósmica. Extremadamente densa y caliente, se presenta como un fluido sin estructura. A través de ella, nos volvemos a encontrar con la imagen caótica que salta en nuestras mentes como los momentos inmediatos después del gran disparo. Encontramos allí la imagen del caos inicial de las mitologías de origen; pero con una diferencia importante. En lugar de la fría oscuridad, ahora reina en el mundo la incandescencia fulgurante; de ella nos queda hoy sólo un pálido rumor, enfriado por quince mil millones de años de expansión.

El tipo de radiación como la cósmica de fondo, surge en cualquier sistema de partículas subatómicas que colisionen entre sí a grandes velocidades, como habría sido el caso de un escenario de altísimas temperaturas de un universo que inicia sus primeros pasos. En la actualidad, de manera aislada y en pequeñas cantidades, se siguen produciendo en el cosmos radiaciones semejantes a la cósmica de fondo o antirradiante; sin embargo, el universo está ahora demasiado frío como para producir radiaciones de magnitudes capaces de llenar todo el espacio.

Los cuerpos cálidos, recordémoslo, irradian. Se llama «luz térmica» a la radiación que se desprende. Esta tiene una firma específica. Se la identifica descomponiéndola, como se analiza la luz del Sol a través de un prisma o de una nube de lluvia. En otras palabras, la «luz térmica» puede identificarse fácilmente por su espectro universal de colores, es decir, por la cantidad de energía en cada longitud de onda. Su «arco iris» nos permite reconocerla con seguridad. Sin embargo, existe un parámetro que puede caracterizar de manera singular la radiación cósmica de fondo: la temperatura de la radiación. Según los cálculos teóricos que arrojan nuestros programas computacionales, la radiación cósmica de fondo o antirradiante primigenia debió haberse creado de manera uniforme a través del espacio en los inicios del universo y habría continuado rebotando en partículas subatómicas hasta que el universo alcanzó una edad de aproximadamente de unos trescientos mil años, cuando los electrones y los núcleos atómicos se combinaron para formar átomos. Después, la radiación habría viajado a sus anchas por el espacio, siendo detectada en la actualidad con una longitud de onda dominante, que corresponde a las ondas radioeléctricas y con una temperatura cercana a los tres grados sobre el cero absoluto: exactamente 2,736 grados absolutos (2,736° K). Gamow, en 1948, la había estimado en 6° K.

Pero en una ciencia como la física, no basta decir las cosas, sino que también hay que probarlas. Desde 1965 a la fecha, son muchísimos los trabajos de observación que han demostrado la existencia de la radiación cósmica de fondo y precisado sus actuales características. Sobre lo último, hemos seleccionado los siguientes documentos probatorios. El gráfico A representa al espectro observado de la radiación cósmica de fondo.

Sus características específicas confirman su origen térmico. Como, asimismo, su posición en la escala de frecuencia es la que nos permite estimar la temperatura que hemos precisado anteriormente, o sea, los 2,736° K.

Se presenta un conjunto de mediciones de la radiación cósmica de fondo realizadas por el satélite COBE. La vertical de la intensidad de la radiación en función de la longitud de onda inserta horizontalmente. Cada uno de los cuadraditos representa una medida independiente. La superficie de cada uno de esos cuadraditos da la precisión de la medición: mientras más pequeño es el cuadradito más precisa es la medición.

El trazo continuo muestra la posición esperada de las mediciones si la radiación ha sido emitida por una sustancia isoterma (distribución de Planck), tal como lo ha previsto el modelo del Big Bang. Lo último, constituye una de las evidencias más duras en favor del Big Bang, ya que como se observa todos los cuadraditos caen justamente sobre la curva.

El gráfico, corresponde a mediciones realizadas en el año 1992. Desde entonces, como veremos más adelante, las mediciones se han precisado más aún.

El gráfico siguiente sitúa la radiación cósmica de fondo en el conjunto de las ondas luminosas del cielo. De izquierda a derecha, se pasa de las ondas de radio a las milimétricas, al infrarrojo, al visible, al ultravioleta, a los rayos X y a los rayos gamma. La altura de la curva indica la intensidad de la radiación en cada sector. La protuberancia llamada «óptica» reúne la luz de todas las estrellas corrientes. La infrarroja proviene de las nubes de polvo dispersas en el espacio, así como de los embriones de estrellas. Los rayos X y los gamma emergen de los sucesos más violentos del cosmos: avalanchas de materia, explosiones de supernovas o quásares. Prácticamente todos los astros (galaxias, estrellas, planetas) emiten ondas de radio.

La existencia de la «protuberancia» de la radiación cósmica de fondo en el campo milimétrico fue pronosticada por Gamow en el año 1948. Su detección en 1965, en gran medida, cambió el interés de los físicos por la cosmología.

La temperatura de casi 3° K (-273° Celsius) es, en general, la de la radiación observada hoy, en nuestro universo, enfriado por miles de millones de años de expansión cósmica. Pero, ¿cuál es el origen de esta radiación y cuál era su temperatura en el momento en que fue emitida? El mensaje dado por la forma del espectro va a servirnos de guía. Se trata de una radiación emitida por un cuerpo caliente a temperatura homogénea. Este cuerpo isotermo está disperso en la escala del cosmos; la radiación proviene uniformemente de todas las direcciones.

En nuestro universo actual, nada puede ser la fuente de esta radiación. Los cuerpos contemporáneos -galaxias, quásares, estrellas, planetas, nebulosas- presentan una vasta gama de temperaturas. Ninguno de ellos posee la isotermia de esta radiación. Pero, remontémonos al pasado y revisemos con qué nos encontramos.

Una vez más, sentémonos frente a nuestro computador y, con los programas especiales que tenemos configurados, retrocedamos en la historia del universo. Paralelamente al aumento de la temperatura y de la densidad, veremos a los astros deshacerse y dispersarse en el espacio en una nube ardiente, homogénea e isoterma. Esta sustancia incandescente es la fuente de la radiación cósmica de fondo. Se demuestra, con el apoyo de cálculos, que fue emitida cuando el universo estaba a cerca de tres mil grados K, hace quince mil millones de años. Según el reloj convencional, el universo tenía entonces casi un millón de años. Pero sigamos retrocediendo.

En la medida que nuestro reloj sigue retrocediendo en el tiempo cósmico, el universo incrementa su temperatura, llegando a un momento en que llegó a tal nivel que, a excepción del hidrógeno, el elemento más liviano, ninguno de los elementos químicos podía existir. El hidrógeno sólo es una partícula subatómica, un protón. Todos los demás elementos resultan de una fusión de dos o más partículas subatómicas, que no hubieran podido mantenerse unidas a las temperaturas extremas que se generaban en los inicios del desarrollo del cosmos. A la expansión del universo la acompaña su enfriamiento. Cuando el universo sólo contaba con unos cuantos minutos de vida, ya su temperatura había descendido a mil millones de grados, la temperatura crítica en que las partículas subatómicas pueden comenzar a mantenerse unidas mediante la fuerza de atracción nuclear que existe entre ellas. Según diferentes estudios teóricos que se han venido realizando hasta la fecha, la fusión nuclear de unos pocos minutos posteriores al inicio de la vida del cosmos debería haber convertido cerca del 25% de la masa del universo en helio, el segundo elemento más liviano después del hidrógeno, y un 0,0000001% de litio, el siguiente elemento químico más liviano. Se considera que todos los elementos más pesados que el litio se crearon mucho más tarde, en las reacciones nucleares del centro de las estrellas. Resulta impresionante que la cuantificación teórica del hidrógeno, helio y litio concuerde tan claramente con la enorme abundancia observada de dichos elementos en el espacio.

Determinación de la proporción de helio a hidrógeno en el universo recién creado. Los círculos negros son los protones; los neutrones son los círculos con la letra n. Un núcleo de hidrógeno posee 1 protón; un núcleo de helio posee 2 protones y 2 neutrones. En épocas antiguas existía igual número de neutrones y protones, Cuando estas partículas colisionaban, no lograban fusionarse ni mantenerse unidas porque la temperatura era demasiado alta. Con el tiempo ocurrieron dos cosas: los neutrones comenzaron a convertirse en protones, reduciendo gradualmente la proporción de neutrón a protón, y la temperatura siguió descendiendo en forma ininterrumpida. En un momento crítico, cuando la edad del universo era de alrededor de un minuto y cuando la temperatura cósmica había descendido a unos mil millones de grados, los neutrones y los protones lograron mantenerse unidos al colisionar, creando el helio. Entonces, todos los neutrones disponibles quedaron encerrados en núcleos de helio, con dos protones emparejados con dos neutrones. Los protones restantes se convirtieron en hidrógeno. La fracción resultante de hidrógeno a helio se determinaría por la proporción de neutrones a protones justo en el momento previo al inicio de la fusión.

Ahora bien, mientras la temperatura del universo primigenio se encontraba por sobre los tres mil grados K, la agitación térmica disocia (ioniza) los átomos de hidrógeno. Su materia se asemeja a la forma de un plasma eléctrico, compuesto de protones (el núcleo del átomo de hidrógeno) y de electrones libres. Se trata de una sustancia opaca a la luz.

Más tarde, cuando la temperatura desciende bajo 3.000° K, los electrones se fijan a los protones. El universo se transforma en un gas de hidrógeno, transparente a la luz. La radiación cósmica de fondo se emite en ese momento, comenzando su largo periplo de miles de millones de años luz.

La radiación cósmica de fondo es igual que un fósil que conserva la memoria del pasado. La temperatura de esta radiación ha disminuido de tres mil a tres grados, pero la forma térmica del espectro ha permanecido inscrita en este flujo de radiación que viaja desde el Big Bang.

Texto extraído de Astrocosmo

[?]