El documento resume la historia del descubrimiento de la radiación del fondo cósmico y su importancia para la cosmología. En 1964, Penzias y Wilson descubrieron accidentalmente la radiación de fondo predicha por Gamow en 1946. Satélites como COBE y WMAP midieron sus anisotropías con mayor precisión, apoyando el modelo del Big Bang e inflación cósmica. Aunque el experimento BICEP2 anunció evidencia de ondas gravitacionales, surgieron dudas sobre la contribución del polvo galáctico que aún se debaten.

1. Luz primordial:
cincuentenario del descubrimiento
de la radiación del fondo cósmico
Alejandro Jenkins
UCR, escuela de física
Asociación Costarricense de Filosofía
miércoles 27 de agosto, 2014

2. Cosmología
Vincent van Gogh, Noche estrellada (1889)
Teníamos el cielo allá arriba, todo
lleno de estrellas, y solíamos
echarnos sobre nuestras espaldas
para mirarlas, discutiendo sobre si
habían sido hechas o si
sencillamente habían ocurrido. Yo
decía que habría tomado
demasiado tiempo hacer tantas.
Jim decía que tal vez la luna las
había puesto; eso parecía
razonable y no lo contradije,
porque una vez había visto a una
rana poner casi tantos huevos, así
que claramente era posible.
— Mark Twain, Las aventuras de
Huckleberry Finn (1884)

3. Sistema ptolomeico
• En la cosmología de Ptolomeo (c.
100 - c. 170 d.C.) la tierra es el
centro del Universo
• Sol, luna y cinco planetas giran a
su alrededor, según un sistema
matemático complejo
• Las estrellas están fijas en la
esfera celeste más lejana
• El Universo físico es concebido
como finito y limitado
Pedro Apiano, Cosmografía (1524)

4. Sistema copernicano
• Nicolás Copérnico propone un sistema
heliocéntrico en 1543
• Matemáticamente elegante, pero deja
importantes problemas sin resolver
• Johannes Kepler encuentra en 1609
que las órbitas son elípticas, no
circulares
• Observación de las fases de Venus
por Galileo en 1610 refuta el sistema
ptolomeico
• Ver: O. Gingerich, The Book Nobody
Read, (Penguin, 2004) Andreas Cellarius, Armonía macrocósmica (1661)

5. Paradoja de Olbers
• ¿Por qué el cielo nocturno es mucho más
oscuro que el cielo diurno?
• En un Universo infinito y eterno, todas las
trayectorias visuales terminarían en la
superficie de alguna estrella
• El cielo, visto en cualquier dirección, debiera
entonces ser tan brillante como el sol
• Interrogante planteada por el copernicano
inglés Thomas Digges en el s. XVI
• Kepler en el s. XVII lo usa para argumentar
que el Universo tiene un límite
• Interrogante considerada por Halley y
Chéseaux en el s. XVIII, Heinrich Olbers y
otros en el s. XIX
Wikipedia

6. Bosque (in)finito
http://miriadna.com

7. Edgar Allan Poe
• En 1848, Poe publica el “poema en prosa” Eureka,
dedicado a Alexander von Humboldt y abocado a
especulaciones cosmológicas
• Argumenta que oscuridad del cielo nocturno sugiere
a que el Universo tuvo un inicio en el tiempo.
• “Poe, además de estar relativamente bien versado
en ciencia y matemáticas, parece haber tenido la
mente de un matemático.” — A. S. Eddington
• “Opto por la tesis platónica de la Musa y no por la
de Poe, que razonó, o fingió razonar, que la
escritura de un poema es una operación de la
inteligencia. No deja de admirarme que los clásicos
profesaran una tesis romántica, y un poeta
romántico, una tesis clásica.” — J. L. Borges

8. Eureka (1848)
• “Si la sucesión estrellas fuera infinita, entonces el trasfondo del cielo
tendría una luminosidad uniforme, como la que muestra la [Vía
Láctea], ya que no habría absolutamente ningún punto, en todo ese
trasfondo, en que no existiera una estrella. La única manera, por lo
tanto, bajo este estado de cosas, en que podríamos comprender los
vacíos que nuestros telescopios hallan en incontables direcciones,
sería suponiendo que la distancia al trasfondo invisible es tan vasta
que ningún rayo de luz ha podido llegar desde él hasta nosotros.”
• Mismo argumento sería replanteado, independientemente, por
Johann Mädler en 1861 y Lord Kelvin en 1901
• Ver: E. R. Harrison, Darkness at Night: A Riddle of the Universe,
(Harvard U. Press, 1987)

9. Relatividad general
• Einstein plantea la teoría de la
relatividad restringida en 1905, a
partir del estudio de los fenómenos
electromagnéticos
• La relatividad restringida es
incompatible con la gravedad
newtoniana, pero no indica cómo
modificarla
• La teoría relativista de la gravedad,
desarrollada por Einstein (1915) y
David Hilbert (1916), es conocida
como teoría general de la
relatividad
energía
Curvatura del
espacio-tiempo

10. Big Bang
• Alexander Friedmann, Georges LeMaître, Howard P.
Robertson y Arthur G. Walker encuentran soluciones a las
ecuaciones de Einstein según las cuales el Universo no sería
estático y tendría un inicio en el tiempo
• Einstein las rechazó hasta 1929, cuando Edwin Hubble publicó
evidencia experimental de que las galaxias se están alejando
entre sí
• Big Bang (“gran explosión”) acuñado en sorna por Fred Hoyle en
1950
• Otro enemigo declarado del Big Bang fue el astrofísico sueco
Hannes Alfvén, premio Nobel de física en 1970

11. Universo en expansión
Simulación numérica con materia oscura fría, Ben Moore, U. of Zurich

12. Recombinación
• Universo comienza muy caliente y se va enfriando al expandirse
• No hay átomos a más de 3000 K
• Cuando la temperatura cae por debajo de 3000 K, los electrones se
combinan con los protones para formar hidrógeno (“recombinación”)
• Esto ocurrió unos 300 000 años después del inicio de la expansión
• Tras la recombinación, el Universo se vuelve transparente
• George Gamow argumenta en 1946 que la cosmología del Big Bang
predice una radiación del fondo cósmico: la luz de la recombinación
• Hoy esta radiación tiene una temperatura de ~ 3 K y está principalmente el
el espectro de microondas
• Llamada en inglés cosmic microwave background (CMB)

13. Penzias y Wilson
• Gamow, Alpher y Herman habían
predicho el CMB en los 1940s
• En 1964, Robert Dicke estaba
construyendo un sofisticado
experimento para detectarlo
• Descubierto accidentalmente por
dos radioastrónomos de Bell Labs,
Arno Penzias y Robert Wilson
• Inicialmente lo tomaron por un ruido
de origen desconocido
• Evidencia convincente de la
realidad del Big Bang
Bell Labs

14. Método científico
Limpiando el interior de la antena, 1964
En Estocolmo, 1978

15. Problemas con el Big Bang,
c. 1979
• El modelo cosmológico del Big Bang dejaba varias preguntas sin
responder
• Flatness problem: ¿Por qué la geometría del Universo es tan
plana?
• Horizon problem: ¿Por qué la distribución de galaxias es
homogénea?
• Monopole problem: ¿Por qué no hay una enorme abundancia de
monopolos magnéticos?
• Estas tres interrogantes son resueltas por la inflación cósmica,
desarrollada por Alan Guth, Andrei Linde y Alexei Starobinsky

16. Inflación cósmica
• Breve período de crecimiento exponencial
del tamaño del Universo, entre 10-36 y 10-32
s después de la singularidad inicial
• De un mil millonésimo del tamaño de un
protón, a algo como el tamaño de una
naranja
• Volumen aumenta por un factor al menos
de 1078
• Fluctuaciones cuánticas generan
perturbaciones primordiales de
densidad, que luego sirven de “semillas”
para las galaxias y cúmulos de galaxias
• Consistente con observación de las
anisotropías en el CMB
Cuaderno de Alan Guth. Fuente: revista Symmetry

17. Cielo en microondas
D. Castelvecchi, “The Growth of Inflation,” Symmetry, dic. 2004 / ene. 2005

18. COBE y WMAP (NASA)
• El satélite COBE (1989-1993)
mide por primera vez las
anisotropías en el CMB
• Introduce una nueva era de
precisión en la cosmología
física
• Premio Nobel 2006 a John C.
Mather y George F. Smoot
• Misión WMAP (2001-2012)
consigue mejora sustancial en
la resolución

19. Planck (ESA)
Fuente: ESA, grupo científico de la misión Planck, 2012

20. Historia universal
Fuente: NASA, grupo científico de WMAP

21. Controversia BICEP2
• La inflación cósmica predice también otro tipo de
perturbaciones primordiales (de carácter “tensorial”)
• Equivalen a ondas gravitacionales, producto de las
fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo
• A principios de este año, el experimento BICEP2 dijo
haber encontrado evidencia de esas perturbaciones
en la polarización del CMB
• Se anunció a la prensa con mucho estruendo
• Pero rápidamente surgieron dudas respecto a si el
análisis experimental podía restar convincentemente
la radiación emitida por el polvo intra-galáctico
• Ver: Spergel, Flauger y Hill; Mortonson y Seljak
(2014)
• En los próximos días esperamos un anuncio por parte
de la misión Planck
Telescopio de BICEP2 (derecha), en la Antártida.
Fuente: Wikipedia

22. Conclusiones
• El CMB es la luz más antigua y más distante
que que podamos observar
• Sus propiedades nos indican cómo estaba
conformada y distribuida la materia 300 000
años después del Big Bang, al momento de la
“recombinación”
• Podemos extrapolar teóricamente hasta una
pequeña fracción de segundo después del Big
Bang
• Medición de anisotropías del CMB ha hecho de
la cosmología física una ciencia experimental
precisa
• Datos apoyan modelo de inflación cósmica
• Sigue siendo hoy un tema sumamente activo de
investigación y debate
Fuente: http://www.astro.ucla.edu/%7Ewright/BBhistory.html