El Quijote se enfrenta al origen del Universo

Desde que las observaciones de Edwin Hubble en los años treinta del pasado siglo revelaron que las galaxias se alejan sistemáticamente unas de otras se sabe que el Universo se encuentra en expansión. Esto llevó a plantear que en su origen toda la materia se habría encontrado concentrada en una misma posición.

 En los años cuarenta, el físico ruso George Gamow propuso el modelo del Big Bang, en español Gran Explosión, para explicar el nacimiento del Universo. Defendía que éste se generó a partir de una enorme concentración de masa y energía, y que desde su origen está en expansión. Con el fin de solucionar algunas ambigüedades y deficiencias de este modelo, en 1981 Alan Guth planteó la existencia de una etapa "inflacionaria" consistente en un periodo de expansión exponencial extraordinariamente rápido, producido inmediatamente después del Big Bang, tras el cual el Universo habría aumentado su tamaño en un factor 1026.
La inflación habría dado lugar a dos importantes tipos de perturbaciones, llamadas respectivamente "escalares" y "tensoriales". Las primeras son fluctuaciones en la densidad de la materia, de manera que habrían generado inhomogeneidades en el Universo (regiones con una densidad de materia mayor que otras). Las regiones de alta densidad habrían sido precisamente las semillas a partir de las cuales luego se formarían las estructuras observables en el Universo actual: las galaxias y las estructuras de mayor escala en las que éstas se agrupan. El otro tipo de perturbaciones, las tensoriales, pueden ser vistas como "ondas gravitacionales". En el marco de la Relatividad General de Einstein se trata de fluctuaciones en la métrica del espacio-tiempo que son producidas por el movimiento de partículas con masa (de manera análoga a como las partículas cargadas eléctricamente generan ondas de luz).
Tras la inflación, el Universo consistía básicamente en radiación (fotones) y materia (bariones, que son partículas de masa ordinaria), a muy alta temperatura. En estas condiciones térmicas los átomos no son estables, de manera que la materia estaba altamente ionizada dando lugar a una gran cantidad de partículas libres. Estas partículas libres no permitían el desplazamiento de los fotones, con lo que el medio era opaco a la radiación. La radiación y la materia permanecían "acopladas". Como todo objeto que aumenta su volumen, a medida que el Universo fue expandiéndose, fue disminuyendo progresivamente su temperatura hasta el estado actual en el cual es de unos 270 ºC bajo cero.
Aproximadamente 400.000 años después del Big Bang, cuando su temperatura era de unos 3000 ºC, se produjo un proceso denominado "recombinación": los electrones y los protones empezaron a combinarse con rapidez formando inicialmente átomos de hidrógeno y posteriormente átomos más pesados. Ya no había suficientes partículas libres que pudieran colisionar continuamente con los fotones evitando la propagación de la radiación. Esto dio lugar al "desacoplamiento" entre la radiación y la materia.
Los fotones pudieron entonces comenzar a trasladarse libremente, dando lugar a una radiación observable en la actualidad conocida como "fondo cósmico de microondas", o CMB de sus siglas en inglés. Esta radiación se ha ido enfriando en su trayectoria desde la región donde se produjo la separación de la radiación y la materia, conocida como "superficie de última dispersión", hasta nosotros. Por ello en la actualidad el CMB se manifiesta como un fondo de radiación de cuerpo negro con una temperatura cercana a los -270ºC, observable con una intensidad casi uniforme en todas las direcciones del cielo.
La detección del Fondo Cósmico de Microondas, el resto fósil del Big Bang, fue una de las pruebas más importantes que esta teoría tuvo que superar para ser aceptada. Se logró de manera accidental en 1964: Arno Penzias y Robert Wilson, dos ingenieros de la compañía Bell en New Jersey, encontraron con un radiotelescopio que utilizaban para las comunicaciones con satélites un exceso de ruido a una temperatura de -270ºC. Comprobaron, sorprendidos, que dicho ruido no procedía de una región determinada del cielo, sino que permanecía constante en todas las direcciones. Plantearon varias hipótesis para explicar su origen, incluso la presencia de unos excrementos de paloma en la superficie de la antena. Tras descartar muchas de ellas, y debatir el problema con físicos de la Universidad de Princeton, liderados por Peter Roll y David Wilkinson, confirmaron que este ruido era el Fondo Cósmico de Microondas. Por este importante descubrimiento recibieron el premio Nobel de Física en 1978.
A partir de ese momento el estudio y caracterización del CMB se convirtió en un objetivo importante en cosmología. La NASA construyó a finales de los ochenta el satélite COBE (Cosmic Microwave Explorer, Explorador de Fondo Cósmico), explícitamente para observarlo. Este satélite realizó un importante descubrimiento: la detección de ciertas variaciones, del orden del 0.001%, en la temperatura de esta radiación. Por este hallazgo los investigadores principales de COBE obtuvieron el premio Nobel de Física en 2006. Mientras que, hasta ese momento, las observaciones simplemente determinaban que esta radiación tenía una temperatura de unos -270ºC en cualquier dirección del cielo, COBE tuvo el suficiente nivel de sensibilidad para poder determinar pequeñas variaciones en la temperatura, del orden de 0.00001ºC, de unas posiciones a otras. Se supo que estas fluctuaciones o "anisotropías" tenían su origen precisamente en las variaciones en la densidad de materia, creadas por la inflación y presentes en la "superficie de última dispersión". Por ello, un mapa de esta radiación, en el que se representa el valor de su temperatura en función de la posición en el cielo, es de alguna manera una "ecografía" de cómo era la distribución de materia cuando el Universo tenía una edad de 400.000 años.
El estudio del CMB y sus anisotropías se ha convertido en una de las herramientas más importantes en cosmología. El modelo cosmológico es capaz de predecir las características de esta radiación, principalmente la intensidad y el tamaño de sus variaciones. Como esta información también se obtiene a través de las observaciones, se puede comparar con las predicciones teóricas, lo que permite hacer estimaciones que describen el contenido total de materia del Universo, su ritmo de expansión, o el contenido relativo de los distintos componentes energéticos y de materia (principalmente materia bariónica ordinaria, materia oscura y energía oscura).
Los resultados de dichas estimaciones se comparan con otro tipo de observaciones de carácter cosmológico. Su coincidencia, la conciliación entre los modelos teóricos y las observaciones es, sin duda, un gran éxito, y ayuda a ir definiendo poco a poco, a medida que mejoran los experimentos y la precisión de las observaciones, el modelo cosmológico del Universo.