El Big Bang cumple 50 años

Arno Penzias y Robert Wilson no sabían, en 1964, que habían descubierto la radiación cósmica de fondo. Sus datos coincidían con las predicciones teóricas

Arno Penzias (izquierda) y Robert Wilson, en 1993, ante la antena de los laboratorios Bell con la que descubrieron, en 1964, la radiación cósmica de fondo.

Hay veces que el descubrimiento científico llega por donde menos se espera. En el caso de Arno Penzias y Robert Wilson ni siquiera sabían lo que tenían en sus datos hasta que les hablaron de especulaciones que venían haciendo los físicos teóricos sobre los primeros tiempos del universo. Resultó que su hallazgo y aquellas hipótesis coincidían tanto que la entonces incipiente teoría del Big Bang convenció en el mundo científico, al tiempo que revolucionó la visión cosmológica de la humanidad. El universo, en el siglo XX, dejó de ser estático (para casi todos) e inmutable, para adquirir una historia, una evolución y un principio. Fue hace 50 años y los hechos de aquella primavera del descubrimiento de Penzias y Wilson de la radiación de fondo de microondas, a veces llamada el eco del Big Bang, siguen siendo fascinantes. Un avance: la Institución Smithsonian recordaba hace unos días “cómo dos palomas ayudaron a los científicos a confirmar la teoría del Big Bang”.

“Empezamos buscando un halo alrededor de la Vía Láctea y encontramos otra cosa”, recuerda Wilson. “Cuando un experimento va mal, normalmente, es lo mejor; lo que vimos fue mucho más importante que lo que estábamos buscando: fue reamente el principio de la cosmología moderna”. En 1978, recibió, con Penzias, el Nobel de Física.

Entre los científicos interesados en el cosmos la efervescencia venía desde el descubrimiento de Edwin Hubble, en 1929, de que las galaxias en el universo están alejándose unas de otras y, cuanto más lejanas, mayor es su velocidad de recesión. Entonces, si uno da marcha atrás a la secuencia haciendo que las galaxias se acerquen unas a otras, llegaría un momento en que todo el universo estaría concentrado en un punto de máxima densidad y temperatura a partir del cual, poniendo de nuevo la película en modo avance, tendríamos el cosmos en expansión que los astrónomos observaban. Curiosamente fue una ridiculización de la idea en sí misma por parte de Fred Hoyle, que nunca estuvo de acuerdo con ella, la que dio con el nombre de Big Bang, la gran explosión inicial.

Mapa de las variaciones de temperatura en la radiación cósmica de fondo realizado con los datos del telescopio espacial 'Planck'.

Varios físicos teóricos habían estado explorando cómo y cuándo se habrían formado los elementos en ese cosmos superdenso inicial, y sus cálculos coincidían estupendamente con los datos observacionales. La idea del Big Bang como historia del universo iba ganando cuerpo.

Y llegó la hora de Penzias y Wilson. En 1963, estos dos radioastrónomos se disponían a preparar una antena de comunicaciones de los laboratorios Bell para investigar el cielo. Tenían que calibrar los equipos para poder restar la radiación terrestre y galáctica, así como el ruido de la propia antena, de las observaciones científicas que hicieran. Pero enseguida surgió “el problema”, recordaba Wilson la semana pasada en el aniversario del descubrimiento celebrado en el Centro Harvard Smithsonian de Astrofísica. El problema era un ruido de fondo imprevisto. No lograban identificar su origen, lo revisaron todo una y otra vez, e incluso llegaron a sospechar del “material dieléctrico blanco” —como lo denominó muy elegantemente Penzias— depositado por dos palomas que rondaban por la antena. La limpiaron y la señal seguía ahí. Apuntaran a donde apuntaran al cielo, era lo mismo. Echaron la primavera y el verano de 1964 en estos trabajos sin llegar a poder explicar el origen de esa radiación de microondas que parecía envolverlo todo y que tenía una temperatura equivalente a unos 3,5 grados por encima del cero absoluto.

Una conversación con un colega les dio una pista: un grupo de físicos teóricos de la Universidad de Princeton trabajaban sobre la hipótesis de que la radiación de aquel universo primitivo supeconcentrado y supercaliente se habría enfriado por la expansión del universo y sería ahora equivalente a pocos grados por encima del cero absoluto.

El hallazgo, que confirmó la idea de la gran explosión, se publicó en 1965

Penzias y Wilson publicaron el histórico artículo sobre su hallazgo de la radiación a unos 3,5 grados en mayo de 1965, sin hacer ninguna interpretación de la misma y citando una nota en la misma revista Astrophysical Journal de cuatro científicos de Princeton (Robert H. Dicke, Jim Peebles,P.G.Roll y David Wilkinson) sobre la interpretación cosmológica de radiación de fondo de microondas. Lo cierto es que varios científicos habían avanzado también en estas hipótesis.

“Entonces supimos que no solo la vida es un fenómeno evolutivo y espontáneo, el entero universo también lo es. La hipótesis contraria ya no era necesaria y, cuando digo supimos me refiero a quienes no niegan sistemáticamente toda evidencia”, resume Álvaro de Rújula, físico teórico del laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) y el Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC).

“El descubrimiento de Penzias y Wilson supuso un antes y un después para la teoría del Big Bang. Desde entonces ¿Cómo no tomársela en serio? Su experimento inauguró lo que llamamos la cosmología observacional”, comenta Enrique Fernández, catedrático de la Universidad Autónoma de Barcelona.

¿Pero que era esa radiación difusa de microondas en toda la bóveda celeste?

Durante los primeros tiempos tras la explosión inicial, el universo estaba demasiado caliente como para que los átomos fueran estables. En ese entorno de núcleos y electrones sueltos los fotones de luz no podían circulaban libremente y el cosmos era como una sopa opaca. Pero cuando el universo tenía unos 380.000 años se había enfriado lo suficiente como para que se formaran átomos neutros y los fotones empezaron a viajar libremente. El universo se hizo transparente. Aquellos fotones entonces eran de altísima energía, pero ahora, 13.820 millones de años después, se han enfriado en el universo en expansión hasta esa temperatura equivalente de pocos grados kelvin de la radiación que Penzias y Wilson descubrieron.

Los dos científicos detectaron la inesperada señal al calibrar una antena

Surgió entonces otro problema con el Big Bang: si aquella radiación primitiva era tan uniforme ¿cómo explicar el origen de las galaxias y los grupos de ellas que se observan en el cielo? Los científicos tardaron en resolver la paradoja: en 1992, el satélite COBE descubrió que esa radiación de fondo no era uniforme, sino que tenía variaciones minúsculas de temperatura, lo que abría la puerta a una explicación. Esas fluctuaciones serían como semillas de las galaxias y grupos galácticos. Otro satélite después, el WMAP, logró captar mayor detalle sobre el universo primitivo. Y más resolución aún de las minúsculas variaciones de temperatura tiene el último mapa, por ahora, de la radiación de fondo, el que ha hecho el telescopio espacial europeo Planck.

“Medio siglo después del descubrimiento de la radiación de fondo de microondas, nos encontramos en una época dorada de la cosmología de precisión”, señala Enrique Martínez, investigador del Instituto de Física de Cantabria. “Su mayor exponente”, recalca, son los resultados de Planck, que “han permitido determinar los parámetros cosmológicos del modelo estándar [del Big Bang] con una precisión mejor que el uno por ciento”.

“El descubrimiento del fondo de radiación de microondas, predicho por la teoría del Big Bang, no solo convenció a la comunidad científica de la validez del origen caliente del universo, sino que abrió las puertas a la búsqueda de las fluctuaciones que más tarde crecerían para dar lugar a las galaxias y toda la estructura a gran escala del universo, que se descubrió 30 años más tarde y que nos está permitiendo hoy en día conectar el universo primitivo (la teoría de la inflación) con el universo actual en expansión acelerada”, resume Juan García Bellido, catedrático de la Universidad Autónoma de Madrid.