radiación de fondo
La radiación de fondo cósmica de 3K
La radiación del cuerpo negro se ve como un remanente del punto de transparencia en el que el universo en expansión cayó por debajo de unos 3000 K para que la radiación pudiera escapar.
Papel en el modelado del "big bang"
Claves físicas de la cosmología
Radiación de fondo 3K
Se observa una radiación de fondo uniforme en la región de microondas del espectro en todas las direcciones del cielo. Actualmente se le llama comúnmente Fondo Cósmico de Microondas o simplemente CMB, en alusión a su pico de Viena en la región de microondas . Muestra la dependencia de la longitud de onda de un radiador de " cuerpo negro " a una temperatura de aproximadamente 3 Kelvin. Se considera que es el remanente de la radiación emitida en el momento en que el universo en expansión se volvió transparente a una temperatura de unos 3000 K. El descubrimiento de la radiación de fondo de microondas de 3K fue uno de los pasos cruciales que llevaron al cálculo del modelo estándar de cosmología del " Big Bang ", su funciónsiendo el de proporcionar estimaciones de poblaciones relativas de partículas y fotones. La investigación con el espectrofotómetro absoluto de infrarrojo lejano (FIRAS) a bordo del satélite COBE ha dado una temperatura de 2.725 +/- 0.002 K.Experimentos anteriores habían mostrado cierta anisotropía de la radiación de fondo debido al movimiento del sistema solar, pero COBE recopiló datos que muestran fluctuaciones en el fondo. Algunas fluctuaciones en el fondo son necesarias en la cosmología del Big Bang para dar suficiente falta de uniformidad para que se formen las galaxias. La aparente uniformidad de la radiación de fondo es la base del " problema de formación de galaxias " en la cosmología del Big Bang. La misión WMAP más recientedio una imagen de resolución mucho más alta de las anisotropías en la radiación cósmica de fondo. La precisión del mapeo del CMB se mejoró con el satélite Planck , dando los mejores valores actuales para los parámetros descriptivos.
Los datos para la cifra redonda de 10 9 fotones por partícula nuclear son la "conclusión cuantitativa más importante que se puede extraer de las mediciones del fondo de radiación de microondas ..." (Weinberg p66-70). Esto permitió la conclusión de que las galaxias y estrellas no podrían haber comenzado a formarse hasta que la temperatura descendiera por debajo de los 3000K. Entonces, los átomos podrían formarse y eliminar la opacidad del universo en expansión; la luz podría salir y aliviar la presión de la radiación . La formación de estrellas y galaxias no podría ocurrir hasta que la atracción gravitacional pudiera superar la presión de radiación hacia afuera, y a 10 9fotones / barión se requeriría una "masa de Jean" crítica de aproximadamente un millón de veces la de una gran galaxia. Con la formación de átomos y un universo transparente, la masa de Jeans se redujo a aproximadamente 10 -6 la masa de una galaxia, lo que permitió el agrupamiento gravitacional.
Curva de radiación Descubrimiento de la radiación de fondo cósmica
Evidencia de trasfondo cósmico de espectroscopia anterior
Papel de 3K en cosmología
Los antecedentes de 3K proporcionan evidencia fundamental para los modelos cosmológicos . El fondo de 3K implica aproximadamente 5,5 x 10 5 fotones / litro. Esto se basa en la densidad de energía de radiación y la energía promedio por fotón a esta temperatura. El rango de estimaciones para la densidad bariónica es desde el doble de la densidad crítica a 6 x 10 -3 / litro hasta la estimación más baja de la galaxia visible, 3 x 10 -5 / litro. Esto da un rango de 1 x 10 8 a 2 x 10 10 fotones / barión. Es esta estimación del número de fotones por barión la que fue crucial en los cálculos del Big Bang. En el modelado de nucleosíntesis en el Big Bang, incluida la relación hidrógeno / helio, la población relativa de bariones y fotones coincidió con las observaciones.
Cuando las trazas de D, 3 He y 7 Li se examinan y forman parte del modelo del Big Bang, la relación de bariones a fotones se restringe más estrechamente. El grupo de datos de partículas da la relación barión / fotón η como2,6 x 10-10 <η <6,3 x 10-10 bariones / fotón
Dado que la conservación del número de bariones es un principio de conservación fuerte , se infiere que la proporción de fotones a bariones es constante durante todo el proceso de expansión. Ningún proceso conocido en la naturaleza cambia el número de bariones.
Anisotropía del fondo 3K
Existe una anisotropía de aproximadamente 0,1% en la radiación de fondo de microondas cósmica que se atribuye a un cambio Doppler causado por el movimiento del sistema solar a través de la radiación. El Grupo de datos de partículas informa que la asimetría es principalmente de naturaleza dipolar con una magnitud de 1,23 x 10 -3 . Este valor se utiliza para calcular una velocidad de aproximadamente 600 km / s para la Tierra en comparación con un observador que sigue la pista con la expansión general. Referencia NRAO
Fluctuaciones en el fondo 3K
El satélite COBE ha descubierto fluctuaciones en la radiación cósmica de fondo de microondas con el uso de un radiómetro diferencial de microondas. El tamaño de las fluctuaciones es ΔT / T = 6x10 -6 . Esto está justo por encima del nivel en el que los cálculos cosmológicos del Big Bang habrían tenido problemas. La escala de las fluctuaciones es mayor que el horizonte en el momento en que se emitió la radiación de fondo, lo que indica que las fluctuaciones son primordiales y datan de una época anterior a la separación de la radiación y la materia, el punto de transparencia . El "horizonte" es la distancia dentro de la cual puede haber conexiones causales, es decir, dentro del tiempo de tránsito de la luz entre sí.
Satélite COBE
El satélite Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA fue lanzado para explorar la radiación cósmica de fondo de microondas. Los puntos de datos se muestran superpuestos a la curva teórica de cuerpo negro.
El ajuste de la fórmula de radiación de Planck es tan preciso que proporciona una poderosa confirmación de la idea de que es un remanente de la expansión del Big Bang .
Estos datos fueron adaptados de Mather, JC, et al., Astro. Jour. 354, L37 (1990).
Los datos de COBE han sido tan precisos que ha descubierto fluctuaciones en esa radiación que son importantes para el Big Bang.cálculos cosmológicos. Llevaba tres instrumentos principales, un radiómetro diferencial de microondas, un espectrofotómetro absoluto de infrarrojo lejano (enfriado a 1,6 K por helio líquido) y el experimento de fondo de infrarrojos difusos, también a 1,6 K. El instrumento de infrarrojos medirá los espectros infrarrojos del fondo que se supone que son uniformes, pero cualquier variación inesperada podría indicar la presencia de fuentes de energía que podrían haber provocado turbulencias para desencadenar la formación de galaxias. La sensibilidad de los instrumentos infrarrojos es 100 veces mayor que la alcanzable desde la superficie de la Tierra. El experimento de fondo infrarrojo observará galaxias primordiales distantes y otros objetos celestes que se formaron después del Big Bang.
John C. Mather del Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA y George F. Smoot del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 2006 por su trabajo asociado con el satélite COBE.
La imagen se ha aclarado aún más con la misión WMAP más reciente , que proporcionó una imagen de mayor resolución de las fluctuaciones de temperatura.