Un Nobel bien merecido

Artículo publicado en el correo interno de los profesores del Instituto de Física de la Universidad de Antioquia
el 5 de Octubre de 2006 a propósito del anuncio del premio Nobel de Física 2006.

La más alta distinción que se pueda otorgar a un físico, el Permio Nobel, fue entregada en el 2006 a George F. Smoot actualmente en la U. de California en Berkeley y John C. Mather del NASA Goddard Spaceflight Center. La razón de tan importante reconocimiento (que siendo banales les garantiza entre otras una buena platica e invitaciones perpetuas a conferencias internacionales además de una casi instantánea idolatría por colegas y no científicos) fueron sus trabajos seminales relacionados con el estudio las ANISOTROPIAS en la radiación cósmica de fondo durante la década de los 70s y su participación fundamental en el descubrimiento de esas ANISOTROPIAS en la década de los 90s con la misión COBE.

Me tomo el atrevimiento ante ustedes, y les propongo que a partir de ahora lo hagamos cada año, de comentar de manera muy sencilla la importancia de esta distinción. No pretendo ahondar en los detalles y seguramente la INMENSA MAYORÍA DE USTEDES preferirán CON SEGURIDAD leer el reporte avanzado que publica la Nobel Foundation en su pagina (http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/adv.html). Me motiva el hecho de que varios colegas se han acercado a preguntarme por la importancia del descubrimiento. Yo mismo en años anteriores me he preguntado por qué se ha asignado tan alto reconocimiento en otras disciplinas que no son mi dominio. También me motiva el hecho de que a la mayoría de nosotros [estudiantes y profesores del Instituto de Física] nos bombardearan con preguntas , familiares y conocidos y que no sobra tener una explicación "decente" de el por qué de este Nobel. Siempre será mejor que ellos la escuchen de nosotros y no de los (en mi concepto) TERRIBLEMENTE INFORMADOS (o malos interpretes) medios de comunicación que divulgan informaciones tergiversadas e incorrectas. En este caso esta pasando algo parecido cuando se escucharon en los medios de comunicación colombianos términos como el descubrimiento de "sombras" en la radiación cósmica de fondo y otras mal interpretaciones o traducciones literales de los cables internacionales.

Entonces en 8 hechos básicos resumiría la importancia del trabajo de los laureados:

1. El Universo esta bañado por la radiación remanente de las primeras etapas calientes de su historia. En los primeros momentos esa radiación, que sigue una distribución espectral como la de un cuerpo negro, estaba en la forma de fotones de alta energía (bajas longitudes de onda). Al expandirse el Universo (y con él las ondas electromagnéticas) esa radiación la encontramos hoy en la forma de fotones de baja energía (gran longitud de onda) principalmente fotones de microondas.
   
   
2. La radiación cósmica de fondo (RCF) que observamos hoy y que vaga libremente por el Universo, estuvo en las primeras etapas fuertemente vinculada a la materia que en esas mismas fases estaba completamente ionizada (la dispersión de Thompson en electrones y otros procesos de interacción radiación electrones tienen una sección eficaz mucho mayor a la de absorción de radiación por materia neutra). En consecuencia el Universo era completamente opaco y los fotones no podían viajar distancias cosmológicas. Cuando el Universo tenía alrededor de 400,000 años la temperatura había descendido lo suficiente para que se formaran átomos y la distancia media que podían viajar los fotones a partir de ese momento era de tamaño cosmológico. Los fotones de la RCF que vemos ahora fueron emitidos en algún proceso cerca a esa etapa de la historia del Universo.
   
   
3. Cuando se observa la RCF en distintas direcciones del cielo sus características son "prácticamente" idénticas. Es decir el espectro de la radiación (la temperatura de la RCF) es prácticamente la misma en todas direcciones. Se dice que la RCF es casi completamente ISOTROPICA. Esto revela el hecho que en algún momento del pasado todos los puntos que emitieron esa radiación estuvieron en equilibrio térmico unos con otros, hecho que es exitosamente explicado por la teoría Inflacionaria, otra de las joyas de la cosmología contemporánea.
   
   
4. Surge un problema con esto de la ISOTROPIA de la RCF. Si el Universo de 400,000 años era homogéneo e isotrópico, ¿cómo es posible que se hayan formado galaxias y estrellas? Las galaxias y estrellas se forman a partir del colapso de grumos en el medio inetregaláctico e interestelar. Un Universo perfectamente homogéneo sería completamente estéril!
   
   
5. Pero hay galaxias, estrellas y planetas y eso no se puede negar, de modo que el Universo no puede ser perfectamente homogéneo. Claro, tampoco tendría que ser demasiado inhomogéneo. Bastaría que existieran contrastes en la densidad de entre 1 parte en mil a 1 parte en cien mil cuando el Universo tenía 400,000 años para que a lo largo de los siguientes "13,699.6" millones de año esas inhomogeneidades crecieran lo suficiente para convertirse en galaxias y estrellas.
   
   
6. De existir estas inhomogeneidades en el Universo joven, distintos efectos (calentamiento, corrimiento al rojo gravitacional, efecto doppler, etc.) cambiarían las propiedades de la RCF que emitirían las inhomogeneidades en relación con las propiedades del resto del Universo. En consecuencia la RCF observada con un nivel de detalle suficiente debería presentar pequeñas ANISOTROPÍAS que revelarían la presencia de esas variaciones sutiles de la densidad en el momento en el que fue emitida. La intensidad y propiedades de estas anisotropías fueron calculadas entre otros por el Prof. Smoot desde los años 70s. La "intensidad" de estas ANISOTROPIAS es comparable con la intensidad de las INHOMOGENEIDADES (contraste de densidad). De modo que si para formar las galaxias se necesitan inhomogeneidades de 1 parte en 100,000 las ANISOTROPIAS deberían ser del mismo orden de magnitud.
   
   
7. Detectar estas ANISOTROPIAS en la RCF es un reto instrumental increíble. En 1990 una misión para medir estas pequeñas ANISOTROPIAS fue preparada y enviada por NASA (los Prof. Smoot y Mather estuvieron a la cabeza de los aspectos científicos y técnicos de esa misión). La misión COBE (Cosmic Background Explorer) no sólo detecto las ANISOTROPÍAS sino que marco el comienzo de lo que podríamos llamar la Cosmología Contemporánea.
   
   
8. Pero las ANISOTROPIAS observadas en la RCF no solo nos revelan la existencia de las semillas desde las que crecieron las estructuras astrofísicas por las que estamos sentados aquí leyendo. La medida de sus propiedades nos da información de primera sobre la manera como evoluciono el Universo hasta los 400,000 años de edad, su composición química, la rata a la que se expandía, se expande y se expandirá el Universo, su edad (que a partir de los datos más precisos obtenidos por la misión WMAP, ilustre sucesora de COBE, se sabe hoy por hoy con menos de un 5% de error y se calcula en 13,700 millones de años) y la naturaleza hasta ahora muy extraña de las componentes y fuerzas que rigen su evolución.
   

Con creces, un Nobel bien merecido!

Jorge Zuluaga
Medellín - Colombia