El profesor de la Universidad de Harvard y premio Nobel de Física 1979, Steven Weinberg, reconstruye Los tres primeros minutos del universo basándose en el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965, radiación de baja temperatura que llega desde el espacio a la superficie de la Tierra.
Fragmento de Los tres primeros minutos del universo.
De Steven Weinberg.
Capítulo 3.
El fondo de radiación cósmica de microondas.
En 1964, el laboratorio de la Bell Telephone poseía una excepcional antena de radio en Crawford Hill, Holmdel, New Jersey. Se la había construido para la comunicación a través del satélite Echo, pero sus características —un reflector de 20 pies en forma de cuerno con nivel de ruido ultrabajo— la convertían en prometedor instrumento para la radioastronomía. Dos radioastrónomos, Arno A. Penzias y Robert W. Wilson, comenzaron a usar la antena para medir la intensidad de las ondas de radio emitidas por nuestra galaxia a elevadas latitudes galácticas, esto es, fuera del plano de la Vía Láctea.
Este tipo de medición es muy dificultosa. Las ondas de radio de nuestra galaxia, como de la mayoría de las fuentes astronómicas, pueden describirse fielmente como una suerte de ruido, similar al «ruido parásito» que se oye en una radio durante una tormenta. Este ruido no es fácil de distinguir del inevitable ruido eléctrico que producen los movimientos al azar de los electrones dentro de la estructura de la antena de radio y los circuitos del amplificador, o del ruido de radio que recoge la antena de la atmósfera de la Tierra. El problema no es tan serio cuando uno estudia una fuente de ruidos relativamente «pequeña», como una estrella o una galaxia distante. En este caso, se puede mover la antena de un lado a otro, entre la fuente y el cielo vacío circundante; todo ruido espurio que provenga de la estructura de la antena, los circuitos del amplificador o la atmósfera de la Tierra será el mismo se apunte la antena a la fuente o al cielo cercano, de modo que se lo anula cuando se comparan las dos observaciones. Pero Penzias y Wilson trataban de medir el ruido de radio proveniente de nuestra galaxia, es decir del cielo mismo. Por lo tanto, era vitalmente importante identificar todo ruido eléctrico que pudiera producirse dentro del sistema receptor.
Las pruebas anteriores de este sistema, en efecto, habían revelado un poco más de ruido del que se podía descontar, pero parecía probable que esta discrepancia se debiese a un ligero exceso de ruido eléctrico en los circuitos del amplificador. Para eliminar tales problemas, Penzias y Wilson usaron un recurso llamado de «carga en frío»: se comparaba la energía proveniente de la antena con la producida por una fuente artificial enfriada con helio líquido, a unos cuatro grados por encima del cero absoluto. El ruido eléctrico en los circuitos del amplificador sería el mismo en ambos casos, y por ende se lo podía anular en la comparación, permitiendo así una medición directa de la energía proveniente de la antena. La energía de la antena medida de esta manera sólo consistiría en los aportes de la estructura de la antena, la atmósfera de la Tierra y cualquier fuente astronómica de ondas de radio.
Penzias y Wilson esperaban que hubiera muy poco ruido eléctrico dentro de la estructura de la antena. Sin embargo, para verificar esta suposición, comenzaron sus observaciones en una longitud de onda relativamente corta, de 7,35 centímetros, en la que el ruido de radio de nuestra galaxia es despreciable. Naturalmente cabía esperar en esta longitud de onda algún ruido de radio proveniente de la atmósfera de la Tierra, pero éste tiene una característica dependencia de la dirección: es proporcional al espesor de la atmósfera a lo largo de la dirección en la que se apunta la antena, menor hacia el cenit y mayor hacia el horizonte. Se esperaba que, después de substraer un término atmosférico con esta característica dependencia de la dirección, esencialmente no quedaría energía de la antena, y esto confirmaría que el ruido eléctrico producido dentro de la estructura de la antena era, en verdad, despreciable. Entonces podrían continuar estudiando la galaxia misma a una longitud de onda mayor, de unos 21 centímetros, a la que se esperaba que el ruido de radio galáctico fuera apreciable.
(Dicho sea de paso, las ondas de radio con longitudes de onda como 7,35 centímetros o 21 centímetros, y hasta 1 metro, son llamadas «radiación de microondas». Se las llama así porque esas longitudes de onda son menores que las de la banda de VHF usadas por el radar a comienzos de la Segunda Guerra Mundial.)
Para su sorpresa, Penzias y Wilson hallaron en la primavera de 1964 que captaban una cantidad apreciable de ruido de microondas a 7,35 centímetros que era independiente de la dirección. También hallaron que este «ruido parásito» no variaba con la hora del día ni con la estación, a medida que avanzaba el año. No parecía que pudiera provenir de nuestra galaxia, pues si así fuera, entonces la gran galaxia M31 de Andrómeda, que en la mayoría de los aspectos es similar a la nuestra, presumiblemente también tendría una fuerte radiación en 7,35 centímetros, y este ruido de microondas ya habría sido observado. Sobre todo, la ausencia de toda variación en el ruido de microondas observado con respecto a la dirección indicaba claramente que esas ondas de radio, si eran reales, no provenían de la Vía Láctea, sino de un volumen mucho mayor del Universo.
Evidentemente, era necesario cerciorarse otra vez de que la antena misma no estaba generando más ruido eléctrico que el esperado. En particular, se sabía que un par de palomas habían estado posándose en el cuello de la antena. Las palomas fueron atrapadas, enviadas a los Laboratorios Bell en Whippany, liberadas, halladas nuevamente en la antena de Hoimdel unos días más tarde, atrapadas nuevamente, y por último disuadidas por medios más decisivos. Pero en el curso de su permanencia las palomas habían cubierto el cuello de la antena con lo que Penzias llamaba delicadamente «un material dieléctrico blanco», y a la temperatura ambiente este material podía ser una fuente de ruido eléctrico. A principios de 1965 fue posible desarmar el cuello de la antena y limpiar la suciedad, pero esto, y todos los demás esfuerzos, sólo produjo una disminución muy pequeña del ruido observado. Subsistía el misterio: ¿de dónde provenía el ruido de microondas?
El único dato numérico de que disponían Penzias y Wilson era la intensidad del ruido de radio que habían observado. Para describir esta intensidad, usaron un lenguaje que es común entre los ingenieros radioeléctricos, pero que en este caso resultó tener una inesperada importancia. Cualquier cuerpo a cualquier temperatura superior al cero absoluto emite siempre un ruido radioeléctrico, producido por los movimientos térmicos de los electrones internos del cuerpo. Dentro de una caja con paredes opacas, la intensidad del ruido en cualquier longitud de onda determinada sólo depende de la temperatura de las paredes: cuanto mayor es la temperatura, tanto mayor es el ruido. Así, es posible describir la intensidad de ruido observado a una determinada longitud de onda en términos de una «temperatura equivalente», la temperatura de las paredes de una caja dentro de la cual el ruido tendría la intensidad observada. Por supuesto, un radiotelescopio no es un termómetro; mide la intensidad de las ondas de radio registrando las pequeñas corrientes eléctricas que las ondas generan en la estructura de la antena. Cuando un radioastrónomo dice que observa ruido radioeléctrico con un equivalente de temperatura tal y cual, sólo quiere decir que ésta es la temperatura de la caja opaca en la cual tendría que colocarse la antena para producir la intensidad de ruido observada. Desde luego, el que la antena se halle o no en tal caja es otra cuestión.
(Para prevenir objeciones de los expertos, debo decir que los ingenieros de radio a menudo describen la intensidad de un ruido de radio en términos de la llamada temperatura de antena, que es un poco diferente de la «temperatura equivalente» descrita. Para las longitudes de onda y las intensidades observadas por Penzias y Wilson, las dos definiciones son prácticamente idénticas.)
Penzias y Wilson hallaron que la temperatura equivalente del ruido que recibían era de unos 3,5 grados centígrados por encima del cero absoluto (o, más exactamente, entre 2,5 y 4,5 grados por sobre el cero absoluto). Las temperaturas medidas en la escala centígrada pero referidas al cero absoluto, y no al punto de fusión del hielo, son los «grados Kelvin». Así, el ruido de radio observado por Penzias y Wilson podría describirse como con una «temperatura equivalente» de 3,5 grados Kelvin, o 3,5° K, para abreviar. Esto era mucho más de lo esperado, pero aún se trataba de una temperatura muy baja en términos absolutos, por lo que no cabe sorprenderse de que Penzias y Wilson dieran vueltas un poco a este resultado antes de darlo a conocer. Sin duda no fue inmediatamente obvio que se trataba del más importante avance cosmológico desde el descubrimiento de los corrimientos hacia el rojo.
Fuente: Weinberg, Steven. Los tres primeros minutos del universo. Versión española de Néstor Míguez. Madrid: Alianza Editorial, 1982.
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