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La Era Transparente del Universo: ¿Cuál es el Secreto del Periodo de Recombinación?
En el universo observable, el fondo cósmico de microondas (CMB) es la radiación de microondas ubicua que llena todo el espacio observable. El espacio de fondo entre las galaxias y las estrellas observado por telescopios ópticos ordinarios es casi completamente oscuro, pero si utilizamos un radiotelescopio lo suficientemente sensible, podemos detectar un tenue brillo de fondo que no está asociado con ninguna estrella, galaxia u otros objetos. Esta luz tenue es más intensa en la región de microondas del espectro electromagnético.
En 1965, el descubrimiento accidental realizado por los radioastrónomos estadounidenses Arno Penzias y Robert Wilson fue de gran importancia y marcó el final del trabajo de los científicos en la década de 1940. La aparición de la radiación de fondo cósmico de microondas se convirtió en una evidencia histórica de la teoría del Big Bang. En el modelo del Big Bang del universo, el universo primitivo estaba lleno de un plasma opaco, denso y caliente de partículas subatómicas. A medida que el universo se expandió, estos plasmas se enfriaron y los protones y electrones se fusionaron para formar átomos neutros, principalmente hidrógeno. Estos átomos son incapaces de dispersar la radiación térmica a través de la dispersión de Thomson, lo que hace que el universo sea transparente.
Combinado con este evento de desacoplamiento de la época, los fotones quedaron libres para viajar libremente a través del espacio. Sin embargo, a medida que el Universo se expande, la energía de estos fotones disminuye debido al corrimiento al rojo causado por la expansión del universo.
Esto se llama "superficie de última dispersión" y es el rango de distancia correcto en el que se pueden recibir los fotones que se emitieron originalmente durante el desacoplamiento. Aunque el CMB es aproximadamente uniforme, no es completamente liso y presenta ligeras anisotropías. Se han utilizado experimentos terrestres y espaciales como COBE, WMAP y Planck para medir estas inhomogeneidades de temperatura.
La estructura anisotrópica está determinada por las diversas interacciones entre la materia y los fotones en el punto de desacoplamiento, formando un patrón característico de protuberancias y protuberancias que varía con la escala angular.
La distribución anisotrópica del CMB tiene componentes de frecuencia de cuadrícula que pueden representarse mediante un espectro de potencia que muestra una serie de picos y valles. Los picos de este espectro transportan información clave sobre las propiedades físicas del universo temprano: el primer pico determina la curvatura general del universo, mientras que el segundo y el tercer pico detallan las densidades de la materia normal y la llamada materia oscura.
Puede resultar difícil extraer detalles de los datos del CMB porque la radiación se modifica según las características del primer plano, como los cúmulos de galaxias.Características del fondo cósmico de microondas
La radiación de fondo cósmico de microondas es una emisión uniforme de energía térmica de cuerpo negro desde todas las direcciones, con una intensidad medida en Kelvin (K). El espectro de cuerpo negro caliente del CMB está más claramente definido a una temperatura de 2,72548 ± 0,00057 K. Los cambios de intensidad se expresan como cambios de temperatura, y la temperatura del cuerpo negro puede describir de forma única la intensidad de la radiación en todas las longitudes de onda. La temperatura de brillo medida en cualquier longitud de onda se puede convertir en la temperatura del cuerpo negro.
La radiación del CMB es muy uniforme en el cielo, con poca estructura en comparación con las acumulaciones de materia en las estrellas o galaxias. Su radiación es isótropa en todas las direcciones en una proporción de aproximadamente 1 parte en 25.000.
Aunque la anisotropía del CMB es extremadamente pequeña, muchos aspectos de ella pueden medirse con alta precisión, y estas mediciones son cruciales para las teorías cosmológicas. Además de la anisotropía de temperatura, el CMB debería tener variaciones angulares en la polarización. La dirección de polarización en cada dirección del cielo se describe mediante la polarización del modo E y del modo B. La intensidad de la señal del modo E es 10 veces menor que la anisotropía de temperatura. Sirve como complemento de los datos de temperatura y se correlaciona con ellos.
También se espera que el CMB muestre pequeñas distorsiones espectrales en el espectro que se apartan de la ley del cuerpo negro. Éste es también uno de los focos de investigación activos actualmente, y los investigadores esperan medirlos por primera vez en las próximas décadas porque contienen información rica sobre el universo primordial y la formación de estructuras posteriores.La señal del modo B es más débil pero puede contener datos cosmológicos adicionales, y el origen de la anisotropía también está relacionado con la física de la polarización.
Según Chuck en el V4 del Hubble, dada una relación de tamaño de 400 a 1, el CMB contiene la mayoría de los fotones del Universo, con una densidad numérica mil millones de veces mayor que la de la materia del Universo. Esto significa que sin la expansión del Universo para enfriar el CMB, el cielo nocturno sería tan brillante como el Sol.
Desde una perspectiva históricaLa existencia del fondo cósmico de microondas fue predicha y explorada por los primeros estudiosos. En 1931, Georges Lemaître especuló que los restos del universo primitivo podrían observarse en forma de radiación; y en 1948, Ralph Alph y Robert Hermann predijeron además la existencia del fondo cósmico de microondas y estimaron su temperatura en unos 5 Kelvin. Aunque había una ligera desviación, se había formado la base teórica.
La primera detección positiva del fondo cósmico de microondas se produjo en 1964, cuando científicos de la Universidad de Princeton comenzaron a construir instrumentos para medir el fondo cósmico de microondas y luego, en 1964, Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron accidentalmente la existencia del fondo de microondas en los Laboratorios Bell.
En 1965, este descubrimiento no sólo demostró la existencia del fondo de microondas, sino que también se convirtió en un gran avance en el campo de la cosmología, confirmando el modelo del Big Bang.
Con el desarrollo de la tecnología, detectores como COBE, WMAP y Planck han continuado realizando investigaciones en profundidad sobre el fondo cósmico de microondas, proporcionando evidencia sólida y orientación teórica para nuestra comprensión de la formación y evolución del universo.
Hoy en día, la investigación sobre el fondo cósmico de microondas sigue en curso y los científicos siguen entusiasmados por explorar información sobre el universo primitivo. Entonces, ¿qué misterios sin resolver crees que esconde el fondo cósmico de microondas?
