Radiación Cósmica de Fondo (CMB): definición, descubrimiento y misterios

Radiación Cósmica de Fondo (CMB): origen, descubrimiento por Penzias y Wilson, datos Planck y misterios como la asimetría hemisférica y la mancha fría del universo.

La radiación cósmica de fondo de microondas (radiación CMB) es una radiación en la parte de microondas del espectro electromagnético, que llega desde todas las direcciones del espacio exterior. Es la luz fósil que proviene de las primeras etapas del universo, y constituye la señal electromagnética más antigua que podemos observar: cada fotón del CMB viaja hacia nosotros desde épocas muy tempranas del cosmos. Su estudio permite "ver" el universo cuando tenía sólo unos cientos de miles de años, mucho antes de que existieran estrellas y galaxias.

Origen físico y época de desacoplamiento

Tras el Big Bang, el universo era extremadamente caliente y denso, lleno de fotones de alta energía y una sopa de electrones y núcleos. A medida que el universo se expandía, se enfrió y, alrededor de unos ~380.000 años después del Big Bang (correspondiente a un corrimiento al desplazamiento al rojo z ≈ 1.100), los electrones y protones se combinaron para formar átomos neutros (principalmente hidrógeno). En ese momento la materia dejó de ser opaca a la radiación: los fotones quedaron libres para viajar casi sin interacción. Esa "superficie de última dispersión" (surface of last scattering) es la fuente de los fotones del CMB que detectamos hoy.

Espectro, temperatura y pérdida de energía por corrimiento al rojo

Los fotones originales, muy energéticos, vieron su energía reducida por la expansión cósmica. Eso desplazó su distribución hacia longitudes de onda mucho mayores, situándola en la región de microondas. El CMB tiene un espectro casi perfecto de cuerpo negro; la medida más precisa (por el experimento FIRAS a bordo de la misión COBE) confirma esto con una temperatura actual promedio de aproximadamente 2.725 K (2.7255 K con las últimas calibraciones). La forma casi ideal de cuerpo negro es una prueba contundente de que esos fotones provinieron de un plasma en equilibrio térmico en las primeras etapas del universo.

Anisotropías y estructura

Pese a ser extremadamente homogéneo en temperatura (variaciones típicas de una parte en 100.000), el CMB presenta pequeñas anisotropías térmicas y patrones de polarización que llevan la impronta de los procesos físicos del universo primitivo. Estas anisotropías corresponden a fluctuaciones de densidad primordiales que posteriormente dieron lugar a la formación de galaxias y cúmulos. El análisis angular de esas fluctuaciones revela picos acústicos —señales de oscilaciones del fluido bariónico-fotónico antes de la recombinación— y permite determinar con gran precisión parámetros cosmológicos como:

• la densidad de materia bariónica y de materia oscura,
• la curvatura espacial (cercana a plana),
• la fracción de energía asociada a la radiación y a la constante cosmológica (energía oscura),
• el índice espectral de las perturbaciones primordiales (n_s ≈ 0.96),
• y el valor del parámetro de Hubble inferido desde el universo temprano (conocido en el contexto actual como la "tensión de Hubble" respecto a medidas locales).

Polarización

La polarización del CMB se genera principalmente por dispersión de Thomson en la superficie de último scattering y por la reionización tardía del universo. Esa polarización se descompone en modos E (paridad incluso) y B (paridad impar). Los modos E han sido medidos con alta precisión y confirman los modelos estándar de fluctuaciones adiabáticas; la búsqueda de modos B primordiales (una firma de ondas gravitacionales producidas durante la inflación) es una de las metas actuales más importantes y difíciles: observaciones como las de BICEP/Keck y otras combinadas con Planck han colocado límites estrictos y mostrado la necesidad de controlar emisiones de primer plano galáctico (polvo interestelar) con extremo cuidado.

Detección histórica y misiones clave

Arno Penzias y Robert Wilson detectaron por primera vez la radiación CMB de forma accidental en 1964, al medir una señal de microondas isotrópica que no podían atribuir a fuentes conocidas. Ese descubrimiento histórico proporcionó un apoyo decisivo a la teoría del Big Bang (y les valió el Premio Nobel de Física en 1978). Desde entonces, las mediciones han avanzado mediante varias misiones importantes:

• COBE (años 1990): confirmó que el espectro es un cuerpo negro casi perfecto y detectó las primeras anisotropías a gran escala.
• WMAP (2001–2010): midió las anisotropías con mayor resolución y proporcionó parámetros cosmológicos más precisos.
• La nave espacial Planck (ESA; lanzada en 2009): ofreció mapas del CMB con la mayor sensibilidad y resolución angular hasta la fecha, en múltiples frecuencias para separar señales cosmológicas de emisiones de primer plano. Aunque la misión ha finalizado, los análisis de sus datos continúan refinando nuestras estimaciones cosmológicas.

"una asimetría en las temperaturas medias en hemisferios opuestos del cielo. Esto va en contra de la predicción hecha por el modelo estándar de que el Universo debería ser ampliamente similar en cualquier dirección que miremos. Además, la mancha fría se extiende por una zona del cielo mucho mayor de lo esperado".

Anomalías y misterios

Además de la extraordinaria concordancia entre teoría y observaciones, el CMB muestra ciertas características inesperadas y todavía no resueltas, entre las que destacan:

• Asimetría hemisférica: una diferencia estadística entre las variaciones de temperatura en dos hemisferios opuestos del cielo.
• La mancha fría (Cold Spot): una región grande y relativamente fría que algunos análisis sugieren es poco probable dentro del modelo estándar; se han propuesto explicaciones que incluyen un vacío gigante en el universo local, impactos de estructuras de gran escala o fluctuaciones primordiales raras.
• Déficit en el cuadrupolo y alineamientos: la potencia en los multipolos más bajos (grandes escalas angulares) es menor de lo esperado y algunas direcciones preferentes parecen alinearse —fenómeno a veces llamado "axis of evil".

Para estas anomalías se han barajado muchas hipótesis: fluctuaciones estadísticas (cosmic variance), contaminación por emisión galáctica o extragaláctica, errores de instrumental o de análisis, efectos locales (por ejemplo vacíos o estructuras cercanas), o bien física fundamental nueva (modelos de inflación no estándar, topologías cosmológicas exóticas, defectos topológicos, o variaciones de las condiciones iniciales). Hasta ahora no existe una explicación definitiva aceptada por la comunidad.

Importancia cosmológica y preguntas abiertas

El CMB es una de las herramientas más poderosas de la cosmología moderna: permite medir la geometría del universo, la composición en materia y energía, y la estadística de las perturbaciones primordiales. También plantea preguntas abiertas y tensiones actuales, por ejemplo:

• la discrepancia entre el valor de H0 medido localmente (supernovas, lentes gravitacionales) y el inferido desde el CMB,
• la naturaleza de las anomalías a gran escala,
• la búsqueda de modos B primordiales que confirmarían detalles del período de inflación,
• y la identificación precisa de posibles señales de nueva física (no-gaussianidades, modos de isocurvatura, partículas ligeras adicionales, etc.).

Conclusión

La radiación cósmica de fondo es una ventana única al universo primitivo: su espectro de cuerpo negro y sus anisotropías han consolidado el paradigma del Big Bang y la evolución cosmológica, y al mismo tiempo siguen ofreciendo sorpresas y desafíos. Nuevas observaciones de alta sensibilidad y de múltiples frecuencias, tanto desde el espacio como desde tierra, continúan refinando nuestro conocimiento y buscando señales que aclaren los misterios pendientes.

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es la radiación cósmica de fondo de microondas?

P: ¿Cómo sabemos que la luz CMB llega como la señal más antigua?

P: ¿Quién detectó por primera vez la radiación CMB?

P: ¿Qué pruebas aporta su existencia a la teoría del Big Bang?

P: ¿Para qué fue diseñada la nave espacial Planck?

P: ¿Qué hallazgos inesperados han descubierto los investigadores que analizan los datos de la nave espacial Planck?

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