Satélite COBE e teoría Big Bang

1993/09/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astronomia

Datos do satélite COBE

Paira aclarar a evolución que tivo o universo desde a súa creación, paira a maioría dos astrónomos non hai máis que una teoría Big Bang. Segundo esta teoría, de case todo o século, o universo naceu fai quince mil millóns de anos cunha gran explosión. A medida que foi aparecendo probas teóricas, foi tomando forza, aínda que tamén houbo incidentes e inimigos.

En 1989, o 18 de novembro, o DNA puxo en órbita o satélite COBE (“Cosmic Background Explorer” ou “Explorador do Fondo Cosmo”) paira investigar o ceo. Durante un período de tempo enviou datos dubidosos, pero o ano pasado, tras recoller máis de 300 millóns de observacións, lanzou resultados paira reforzar a hipótese do Big Bang.

Mediante a análise sistemática dos microondas da bóveda celeste, o satélite COBE detectou unhas mínimas diferenzas na radiación, de aproximadamente 30 millóns de graos. Estas pequenas diferenzas débense ás diferenzas de densidade da materia nos límites do cosmo.

O pasado 23 de abril presentáronse os resultados da COBE na Asociación Norteamericana de Físicos de Washington. Este satélite cheo de captadores mide as radiacións do fondo celeste, é dicir, a radiación cosmológica. É o “ruído de fondo” das radiacións por microondas e, en certo xeito, a pegada da explosión inicial.

Ruído de fondo por microondas

Rexistrando a radiación inicial do universo, o satélite COBE deixou preocupados aos astrofísicos até o ano pasado. Verificáronse os cálculos realizados a unha temperatura de radiación equivalente (temperatura necesaria para que a radiación do corpo negro teña a mesma intensidade). A temperatura de radiación equivalente é de 2,735 Kelvin, o que parece reforzar a teoría do Big Bang. Con todo, esta temperatura era moi uniforme ao longo do universo (só existían diferenzas dun centenar de graos) e esa uniformidade non beneficiaba á teoría. Paira crear galaxias había que haber cambios na densidade para que a materia recollésese polo seu peso.

O ruído de fondo por microondas no Universo é una pegada da bóla de lume de fundación e pódese dicir que corresponde a unha época 300.000 anos despois do momento cero. Naquela época, con todo, a radiación non debía ser totalmente uniforme. Debían haber uns “copos” de materia que logo se converteron en galaxias.

O satélite COBE, por tanto, como consecuencia das perturbacións na formación do universo, debía detectar heteroxeneidades nesta radiación microondas, pero non o recollía.

O universo orixinal e o actual

Evolución do universo tras o Big Bang ou explosión inicial.
(Nota: Paira ver ben a foto ir ao pdf).

O universo inicial, a diferenza do actual, era totalmente uniforme. Cos ollos ou telescopios mirando cara ao ceo é suficiente paira darse conta de que agora hai grandes estruturas tipo galaxia. En todo o universo hai una serie de galaxias con enormes lagoas. Non sabemos moi ben como pasou o universo dunha situación a outra, xa que na época detectada polo satélite, na época das galaxias ou cuasares, a gravitación non tivo suficiente tempo paira crear os grupos de materas que ven na actualidade. A gravitación pode formar una galaxia bastante rápida, pero necesita un punto de partida. O punto de partida pode ser un copo de materi máis denso ou una irregularidade estourada.

Finalmente puidéronse detectar as irregularidades. Ao aumentar 10.000 veces as medidas acumuladas polo satélite COBE, obtivéronse pequenas irregularidades á temperatura de radiación, de 30 millóns de graos. Segundo os investigadores, estas pequenas irregularidades débense ás pequenas diferenzas de densidade que presenta a materia límite do cosmos. Esta materia estaría composta por unha enorme nube saliva e un gas máis lixeiro da zona. As menores destas engurras cósmicas serían de 500 millóns de anos luz.

O responsable do equipo de satélite COBE, George Smoot, considera que estas pequenas irregularidades ou ondas detectadas no límite do universo son pequenos fragmentos de mates que nos mostran as estruturas máis antigas que dalgunha maneira coñécense. Despois da explosión inicial formáronse de forma inmediata e a densidade do universo non foi uniforme. A gravitación traballou desde entón concentrando a materia e creando estrelas, galaxias e conxuntos de galaxias. Estas nubes fronteirizas, por tanto, ofrecerán luces sobre o sistema de formación de galaxias.

Teoría do Big Bang

A teoría de Big Bang, que di que o Universo sufriu una gran explosión ao principio, deriva dunha ecuación da teoría xeral da relatividad creada por Einstein, aínda que o propio Einstein cre no Universo estacionario. Georges Lemaitre da universidade de Lovaina foi quen en 1927 publicou por primeira vez a teoría do “ovo cósmico” e do “átomo inicial”, que logo sería a teoría do Big Bang. Naquela época o astrónomo norteamericano Slipher descubriu que as liñas estaban desprazadas cara ao vermello nos espectros á luz das galaxias e pensouse que podían deberse ao efecto Doppler, é dicir, ao afastamento das galaxias aumentábaselles a lonxitude de onda. Daquela o astrónomo Hubble sacou una constante de proporcionalidade entre a velocidade de afastamento e a distancia entre galaxias.

O feito de que as galaxias se afastasen hoxe en día, significa que nun tempo estaban máis próximas e que toda a materia do universo estaba concentrada nun punto. Tendo en conta a velocidade de afastamento que ten agora a galaxia, podemos calcular o tempo que tardaría en retroceder ata que toda a materia estea unida a esa velocidade. A idade do universo é aproximadamente de quince mil millóns de anos.

O universo, por tanto, xorde dunha explosión principal, segundo a teoría do Big Bang. George Gamow, físico soviético afincado en Norteamérica, foi quen estendeu en 1948 a idea da explosión inicial. Dicía que o universo era como un balón con confetías en superficie. Canto máis se inchaba o balón, máis se afastaban as confetías.

Ruído de fondo e elementos lixeiros

A estrutura de raios destaca claramente na nebulosa de Orio. É una nube xigante de hidróxeno. Iluminada por estrelas quentes e ionizada polas súas radiacións ultravioletas.

Sabendo que as galaxias se afastaban entre si, en 1964 os Sres. Penzias e Wilson atoparon outra proba a favor da teoría do Big Bang nos laboratorios de Bell Phone en Nova Jersey. O físico Robert Dicke detectou o fondo de radiación do ceo anunciado. Dick sinalaba que a pegada da época na que o universo estaba cheo de luz debía permanecer hoxe en día como radiación de microondas (aínda que a temperatura de radiación equivalente baixara até os 3K), ocupando todo o universo. Como calquera sistema físico, a medida que o universo se expande arrefriouse. En consecuencia, a radiación estaba máis quente nunha época. Fai un millón de anos a temperatura de radiación era duns 4.000 K e non podemos detectar as radiacións anteriores porque o gas ionizado que ocupaba o espazo era opaco.

Outra proba a favor da teoría do Big Bang é a abundancia de elementos lixeiros no universo. Pódese saber cales eran os elementos que existían ao principio do universo analizando as estrelas máis antigas na actualidade. A relación entre helio e hidróxeno mediante espectroscopia destas estrelas coincide co anunciado pola teoría do Big Bang paira as reaccións termonucleares inmediatamente despois da explosión. De feito, a temperatura dos primeiros minutos era tan elevada que do hidróxeno que existía orixinalmente xurdiron outros elementos, principalmente o helio.

Con todo, a teoría do Big Bang é una teoría que revela os primeiros momentos do universo, pero non explica como se formaron galaxias e estrelas nos primeiros mil millóns de anos. Os astrónomos creen que saben como naceu o universo, pero descoñecen as transformacións que se produciron paira chegar á situación actual. Hai un oco sen resolver polo que os datos que envía o satélite COBE son tan interesantes.