Hoy se cumplen 60 años de la publicación de uno de los descubrimientos científicos más importantes de la historia. El 13 de mayo de 1965 se publicaron conjuntamente en la revista The Astrophysical Journal dos artículos que marcaron una nueva era en el estudio del Universo. El primero de los artículos fue escrito por Arno Penzias y Robert Wilson mientras buscaban desarrollar una antena de comunicación que tuviera la menor interferencia posible. Luego de evaluar todas las posibles fuentes de ruido – incluyendo un nido de palomas que habían hecho de la antena su hogar – descubrieron que persistía una señal no identificada que, como no dependía de la dirección en que miraran, no podía ser de origen terrestre. El segundo artículo, liderado por Robert Dicke de la Universidad de Princeton (incluyendo al reciente ganador del Premio Nobel, James Peebles), entregaba una explicación para la observación de Penzias y Wilson. Esta señal, explicaron Dicke y sus colaboradores, corresponde al brillo del Universo mismo, consecuencia de la expansión posterior al Big Bang.
Penzias y Wilson determinaron que esa fuente de luz tiene una temperatura de -270 °C o 3 grados sobre el cero absoluto. Dicke y su equipo explicaron que ésa es la temperatura del Universo. Tal como el cuerpo humano, a una temperatura de 36,5 °C, emite calor mayormente en forma de luz infrarroja, con una longitud de onda de unos 0.01 milímetros. La temperatura del Universo corresponde a una energía mucho menor, por lo que la emisión ocurre principalmente con longitudes de onda más largas: de aproximadamente 1 milímetro – microondas. A esa radiación se le conoce hoy por lo tanto como el Fondo de Radiación Cósmica o Fondo Cósmico de Microondas.
La importancia de este descubrimiento es enorme y les valió a Penzias y Wilson el Premio Nobel de Física en 1978. Aunque el equipo de Dicke no recibió tal reconocimiento (Peebles lo ganó en 2019 por sus contribuciones generales al estudio del Universo durante más de dos décadas, no específicamente por la explicación de Fondo Cósmico de Microondas), fue la explicación de estos últimos la que reveló la trascendencia del descubrimiento. La idea de un Big Bang propone que el Universo como lo conocemos proviene de un instante en que la densidad (y por lo tanto la temperatura) era infinita y que el espacio ha estado expandiéndose desde entonces y fue presentada por primera vez por el ruso Alexander Friedmann en 1922, como una consecuencia de la Teoría General de la Relatividad de Einstein. Sin embargo, fue el equipo de Dicke el que mostró que, si hubo un Big Bang, tenía que haber dejado un resplandor que sería visible en todas las direcciones y desde todas las ubicaciones, tal como encontraron Penzias y Wilson.
Una breve explicación permite entender el origen de este resplandor. Luego del Big Bang, el espacio comenzó a expandirse y, por lo tanto, la temperatura del Universo empezó a bajar. Inicialmente, las partículas se movían tan rápido que la fuerza electromagnética no era capaz de atraer a los protones y electrones, que generaban una pantalla opaca impidiendo que la luz viajara, como las moléculas de agua lo hacen en una neblina densa. Recién unos 380.000 años después del Big Bang la temperatura bajó lo suficiente – a unos 3500 °C – para que la fuerza electromagnética ganara y los electrones fueran capturados por los núcleos atómicos. En ese momento, la luz pudo por fin viajar e iluminar el Universo. Es como cuando la neblina se convierte en lluvia: sigue habiendo agua pero ya no bloquea la vista. Eso es lo que vieron por primera vez Penzias y Wilson. Esos rayos de luz llevan 13.800 millones de años viajando por el Universo y ahora algunos de ellos impactan nuestros telescopios. En estos 13.800 millones de años el diámetro del espacio ha multiplicado su tamaño por 1000 y su volumen por mil millones, de manera que la temperatura ha caído a los -270 °C que medimos.
Tres décadas después de su descubrimiento, los telescopios espaciales COBE (1990-1993), WMAP (2000-2009) y Planck (2009-2013) midieron con extrema precisión la temperatura y distribución de la luz del Fondo Cósmico de Microondas. Estas mediciones nos permiten entender con detalle la composición y geometría del Universo: gracias a esos tres satélites sabemos que la temperatura del Universo es -270,73 °C, que un 84% de la materia del Universo es de una forma que aún no entendemos pero que llamamos “oscura” porque no ilumina ni refleja luz, y que el espacio es plano, lo que significa que dos líneas que son paralelas en un punto del espacio son paralelas en todo el espacio.
Poco antes de finalizar la misión WMAP, en 2007, comenzaron a operar los primeros telescopios terrestres de larga duración, cuyo objetivo era similar al de los espaciales: caracterizar la primera luz del Universo. Al estar en la Tierra, estos telescopios pueden ser más grandes que los espaciales, lo que les da la capacidad de observar con mayor detalle. Observar el Fondo Cósmico de Microondas desde la Tierra presenta una dificultad muy alta, ya que la luz de las longitudes de onda en las que el Fondo Cósmico es más intenso es fácilmente absorbida por moléculas de agua, las que – ¡por suerte! – abundan en la atmósfera. Por esto, existen solo dos lugares en nuestro planeta desde donde se puede observar el Fondo Cósmico de Microondas en detalle por la extrema aridez de la atmósfera: las alturas del Desierto de Atacama y el Polo Sur. En efecto, gracias al Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT en inglés), instalado en las cercanías de San Pedro de Atacama entre 2007 y 2022, Chile ha sido un polo de investigación de punta sobre los orígenes del Universo. Junto al Telescopio del Polo Sur (SPT) ha entregado las observaciones más detalladas de esta luz primordial. Pero además ese mayor detalle nos permite trazar los caminos que ha seguido esa luz desde que se emitió hasta llegar a nuestros telescopios. En ese camino ha interactuado con las galaxias que hoy pueblan el Universo y la materia en general, lo que nos permite estudiar también la evolución del Universo desde un punto de vista único usando las mismas observaciones.
El sitio donde una vez brilló – o más bien capturó el brillo – ACT ahora se encuentra su sucesor, el Observatorio Simons, cuya primera fase se construyó entre 2023 y 2024 y que ya está realizando sus primeras observaciones y pronto nos maravillará con más descubrimientos sobre el origen y la evolución del Universo. Este observatorio tiene una vida planificada de diez años pero ya tiene un sucesor: el llamado CMB-S4, que unirá a las comunidades del Fondo Cósmico de Microondas actualmente operando en Chile y en el Polo Sur, y que por el momento estará íntegramente ubicado en el Desierto de Atacama. Así, Chile seguirá siendo el principal polo de la investigación sobre el origen y la evolución del Universo a través de los ojos del Fondo Cósmico de Microondas durante las próximas dos décadas y posiblemente más.
Cristóbal Sifón
Profesor Auxiliar, Instituto de Física, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
Investigador Asociado al Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines – CATA
Doctor en Astrofísica, Universidad de Leiden, Países Bajos
