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LA RADIACIÓN cósmica DE FONDO DE MICROONDAS Y SU ANISOTROPIA


    En 1965 Arno Penzias y Bob Wilson trabajando con el radiotelescopio de Holmdel detectaron un exceso de ruido que eran incapaces de explicar. Este exceso de ruido era isotrópico, es decir, que no dependía de la dirección en la que la antena fuera apuntada, y esto fue interpretado como una detección de la radiación residual del Big Bang llamada habitualmente Radiación Cósmica de Fondo (RCF) o Cosmic Microwave Background (CMB).

    Así en una entrega del Astrophysical Journal de 1965 aparecía un breve artículo de Penzias y Wilson anunciando humildemente un exceso de ruido en su antena equivalente a una radiación isótropa de 3,5±1 K de temperatura medida a una frecuencia de 4080 Mc/s.

    Medidas posteriores de la radiación a diferentes longitudes de onda resultaron consistentes con una distribución de Planck de cuerpo negro y en 1990, gracias al satélite COBE (Cosmic Background Explorer), se pudo fijar la temperatura actual de la RCF con gran precisión en 2,728±0,02 K.

    Además, dicha isotropía coincidía con las predicciones de Einstein (y Galileo) de equivalencia de todo sistema de referencia.

    Pero un análisis más detallado nos indica que este fondo no es isótropo sino anisótropo.
 
 

Los datos del COBE produjeron un mapa del cielo observable con una anisotropía dipolar muy ligera. La parte roja es más caliente y la zona azul más fría, de forma que la escala de colores se ha diseñado para mostrar una variación de -3.5 a +3.5 mK sobre los 2.728 K de media.

  Esto nos lleva a pensar que se está produciendo un efecto Doppler por el movimiento de la Tierra a través del espacio. Analizando este efecto Doppler se deduce que la Tierra se mueve a una velocidad de 370 Km/s con respecto al universo observable. (Para hacer comparaciones tengamos en cuenta que las superficie terrestre gira a 0.46 Km/s y que la Tierra gira a unos 30 Km/s alrededor del Sol)

    Para sorpresa de todos la dirección en la que produce este movimiento no está en el plano galáctico como se podría suponer por el desplazamiento del Sol en de la galaxia (en la imagen el ecuador galáctico corresponde con el semieje mayor de la elipse), sino en una dirección casi opuesta. A partir de aquí y la velocidad calculada para el giro del Sol alrededor de la galaxia (unos 230 Km/s) se puede hallar vectorialmente el desplazamiento de nuestra galaxia por el espacio, que es de casi 600 Km/s.

   La última hipótesis en la que se trabaja es que nuestro sistema solar no pertenece realmente a la Vía láctea sino a la galaxia Sagitario, que parece que ha sido casi absorbida por la Vía Láctea, y por ello el plano de giro de nuestro sistema solar es diferente al de la Vía Láctea

   Podríamos deducir entonces que el CMB es entonces el sistema de referencia estándar para la cosmología, pues respecto a este marco la observación del universo es básicamente isótropa. Se trata de un sistema de referencia privilegiado, lo cual parece ir en contra de la teoría de la relatividad Einstein pero no es así, puesto que siempre podemos decir que es el resto del universo el que se mueve respecto a nosotros. Este el sistema de referencia respecto al cual la expansión del universo parece más simple. Se habla así de movimiento del Sistema Solar con respecto a un sistema de referencia comóvil con la expansión del universo.


Previamente la NASA había hecho un experimento con la intención de detectar el desplazamiento del Sol alrededor de la galaxia mediante aviones U2, obteniendo el siguiente plano siguiendo el mismo código de colores que se usó posteriormente con el COBE:

Se podría decir que nos estamos moviendo hacia la constelación de Leo (o alejándonos de Acuario) a más de un millón de Km por hora.
 
 
 
 

    La imagen del COBE vista arriba es la correspondiente a un ajuste para apreciar diferencias de milésimas de grado.

Si filtramos el efecto Doppler del desplazamiento de nuestro sistema solar (el dipolo), tendremos una imagen uniforme y totalmente isótropa. Pero si además ajustamos la imagen para apreciar diferencias de cienmilésimas tenemos que se aprecia en el ecuador el brillo de nuestra galaxia, el cual también puede ser eliminado por ordenador y así se obtiene la siguiente imagen
 


en la que se aprecia la estructura grumosa y no uniforme del universo extragaláctico. Lo que nos lleva a una segunda forma de anisotropía en la observación del universo profundo.
 

 

 

Posteriormente, con el proyecto WMAP se obtuvieron mejores y más precisos mapas de la radiación de fondo de microondas donde se aprecian mejor las irregularidades de la radiación de fondo, las cuales se suponen los gérmenes de los cúmulos de galaxias actuales.

wmap

(Imagen gracias al “WMAP Science Team”)

 

EL FONDO DE MICROONDAS Y LA RELATIVIDAD:

    Una cuestión interesante respecto al tema de la relatividad es que el la observación del fondo de microondas nos puede llevar a pensar en que dicho fondo nos indica un sistema de referencia privilegiado respecto al que nos movemos ligeramente, y que las otras galaxias lejanas, dado que se alejan a gran velocidad de nosotros, deberán detectar más velocidad de movimiento respecto al fondo de microondas. Pero esto es un pensamiento demasiado débil. Pensar que estamos casi en el centro del universo y casi en reposo respecto al resto del universo es algo ingenuo. Debemos pensar que desde las demás galaxias se debe observar una situación similar. Un relativo reposo respecto al fondo de microondas y una temperatura similar de dicho fondo.

Esto nos lleva de nuevo al modelo de la esfera en expansión con las galaxias fijadas a la superficie de un "globo" en expansión (mejor a la hipersuperficie tridimensional de una hiperesfera tetradimensional).



Al inflarse el globo las distancias entre las galaxias aumentan aunque en realidad están en reposo (o casi) respecto a la superficie del globo, respecto al CMB. Todas las galaxias apreciarán que los puntos más lejanos observables del universo se alejarán a la misma velocidad y el fondo del espacio marcará la misma temperatura por corrimiento al rojo para observadores en todas las galaxias. Así tendríamos que cada galaxia cree ser un sistema de referencia privilegiado, pero a la vez podemos definir un tiempo cósmico de referencia para todas ellas, para todo el universo. Al menos teóricamente se podría plantear la existencia de un sistema de referencia “privilegiado”, es el sistema de referencia comóvil a las galaxias. Así tendríamos una una visión global del universo.

 

 

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