¿Qué temperatura tenía el universo 880 millones de años después del Big Bang?

Hace 13.800 millones de años, el universo estaba más caliente que el calor. Luego se expandió y se enfrió, hasta los 2.725 Kelvin actuales, la temperatura de la radiación cósmica de fondo. Desde el momento en que se liberó la radiación cósmica de fondo hasta hoy, el universo se ha expandido por un factor de aproximadamente 1100. La radiación cósmica de fondo, que originalmente tenía una temperatura de unos 3.000 Kelvin y cuya radiación térmica, por tanto, se parecía en aquel momento a la luz de una lámpara halógena, se ha enfriado en el mismo factor. Por supuesto, todo el universo nunca estuvo igual de caliente en todas partes. Esto hace que los investigadores puedan hoy, por increíble que parezca, medir la temperatura del universo en su juventud. En la revista científica Nature, un grupo internacional de astrofísicos describe cómo lo han conseguido. Los científicos utilizaron el observatorio NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) en los Alpes franceses, el radiotelescopio más potente del hemisferio norte. Con él, observaron HFLS3, una galaxia masiva con brotes estelares, es decir, una galaxia que forma sus estrellas con extrema rapidez. Como HFLS3 está tan lejos de la Tierra, su luz tardó tanto en llegar hasta nosotros que la observamos 880 millones de años después del Big Bang. Es decir, en un momento en que el universo era mucho más joven y, por tanto, más caliente.


Los astrónomos descubrieron una nube de vapor de agua fría en la galaxia que proyecta una sombra sobre la radiación cósmica de fondo de microondas. La sombra se crea porque el agua más fría absorbe la radiación de microondas más cálida en su camino hacia la Tierra. El grado de oscuridad de la mancha que deja la sombra revela la diferencia de temperatura entre la radiación de fondo y el vapor de agua. Dado que la temperatura del agua puede determinarse a partir de otras propiedades observadas en la galaxia, los investigadores pudieron calcular la temperatura de la radiación relicta del Big Bang en ese momento. Obtuvieron un valor de entre 16,4 y 30,2 Kelvin, unas siete veces más caliente que en el universo actual. Esto se corresponde con las predicciones de los modelos cosmológicos actuales de 20 Kelvin y, por tanto, los confirma. En nuestros modelos cosmológicos, el efecto de la expansión cósmica sobre la temperatura es muy directo: Durante el tiempo en que las distancias entre las galaxias distantes han aumentado en un factor de 2 debido a la expansión cósmica, la temperatura de la radiación cósmica de fondo cae a la mitad de su valor original.

«Además de demostrar el enfriamiento, este descubrimiento también nos muestra que el universo tenía algunas propiedades físicas muy específicas en sus inicios que ya no existen en la actualidad», dijo el primer autor, el profesor Dr. Dominik Riechers, del Instituto de Astrofísica de la Universidad de Colonia. «Muy pronto, unos 1.500 millones de años después del Big Bang, el fondo cósmico de microondas era demasiado frío para observar este efecto. Así que tenemos una ventana de observación única que sólo se abre en el universo muy joven». En otras palabras, si hoy existiera una galaxia con propiedades idénticas a HFLS3, la sombra de agua no sería observable porque ya no existiría el contraste de temperatura necesario.

«Este importante hito no sólo confirma la tendencia de enfriamiento esperada para una época mucho más temprana de lo que se había medido anteriormente, sino que también podría tener implicaciones directas para la naturaleza de la esquiva energía oscura», afirma el coautor, el Dr. Axel Weiss, del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn, Alemania. En astrofísica, se cree que la energía oscura es responsable de la expansión acelerada del universo en los últimos mil millones de años, pero sus propiedades siguen siendo poco conocidas porque no puede observarse directamente con los telescopios e instrumentos disponibles actualmente. Sin embargo, sus propiedades influyen en la evolución de la expansión cósmica y, por tanto, en la tasa de enfriamiento del universo a lo largo del tiempo cósmico. Según este experimento, las propiedades de la energía oscura siguen siendo -por ahora- coherentes con las de la «constante cosmológica» de Einstein. «Es decir, tenemos un universo en expansión en el que la densidad de la energía oscura no cambia», explica Weiss.

 

Cosmic background radiation; as a detail, the «shadow» of the water vapor cloud that allowed temperature determination only a billion years after the Big Bang (image: MPIA graphics department using data from ESA’s Planck mission; small image: D. Riechers, University of Cologne)
The cosmic microwave background (left) was released 380,000 years after the Big Bang and serves as a background for all galaxies in the universe. The starburst galaxy HFLS3 is embedded in a large cloud of cold water vapor (center, highlighted in blue) and was observed 880 million years after the Big Bang. Due to its low temperature, the water casts a dark shadow on the microwave background (magnification left), corresponding to a contrast about 10,000 times stronger than its own fluctuations of only 0.001% (bright/dark spots). (Image: ESA and the Planck Collaboration; zoom-in panel: Dominik Riechers, University of Cologne; image composition: Martina Markus, University of Cologne).

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris es físico y especialista en el espacio. Lleva mucho tiempo preocupado por las cuestiones espaciales, tanto a nivel profesional como privado, y aunque quería ser astronauta, tuvo que quedarse en la Tierra por diversas razones. Le fascina especialmente el "qué pasaría si" y a través de sus libros pretende compartir historias convincentes de ciencia ficción dura que podrían suceder realmente, y que algún día podrían suceder. Morris es autor de varias novelas de ciencia ficción de gran éxito de ventas, como la serie Enceladus.

    Brandon es un orgulloso miembro de la Science Fiction and Fantasy Writers of America y de la Mars Society.