Un globo elíptico representa la vista interior de los cielos sobre nuestra cabeza. No importa en qué dirección miremos, la temperatura de la primera luz es casi la misma. El color falso representa las fluctuaciones de temperatura. Las regiones rojas son aproximadamente 40 microkelvins más cálidas que las regiones azules.
La primera luz
Los investigadores ya han estudiado la primera luz con antenas incluso más grandes que la que usaron Penzias y Wilson. La atmósfera terrestre absorbe gran parte de la señal. Para ver mejor, los experimentadores trabajaron con antenas en la cima de la montaña y en globos. En 1989, la NASA lanzó el Cosmic Background Explorer (COBE). En el espacio exterior, este satélite estaba lejos de la interferencia humana en la Tierra. También estaba fuera de la atmósfera. A partir de ahí, los instrumentos estudiaron las ondas electromagnéticas que Penzias y Wilson llamaron “fondo”. Cuando las olas comenzaron, eran luz ordinaria, quizás un poco más rojizas que la luz del sol. Por esta razón, los experimentadores pueden presentar sus datos como una “fotografía”.
Más recientemente, WMAP ha “fotografiado” la primera luz con mayor resolución y refinado la imagen del satélite COBE.
El calor y la luz produjeron la presión que impulsó la expansión. Al igual que los rayos gamma originales, las partículas recién materializadas también se movían en todas direcciones a varias velocidades. Este tipo de movimiento, enteramente debido al calor y completamente aleatorio, es lo que llamamos agitación térmica. Su presión depende únicamente de la temperatura.
La gente conoce la temperatura relativa, medida por encima o por debajo del punto de congelación del agua en la escala centígrada o Celsius, o por encima o por debajo de la temperatura de una mezcla de sal y hielo bien drenada en la escala Fahrenheit. Los científicos miden la temperatura absoluta desde la temperatura más baja posible, una temperatura tan baja que cesa la agitación térmica y las partículas se congelan juntas. La temperatura más baja posible se llama “cero absoluto.” En las escalas más familiares es -273,15 ºC o -459,67 ºF.
Los científicos ya no usan la palabra "grados" cuando citan una temperatura absoluta. La unidad de temperatura absoluta es el kelvin, en honor a William Thomson Kelvin (matemático y físico británico, 1824–1907). El kelvin es una unidad de temperatura al igual que el metro es una unidad de distancia y el segundo es una unidad de tiempo. No decimos “grados metro” o “grados segundos.” En la escala de temperatura absoluta, el agua se congela a +273,15 kelvin (0 ºC, 32 ºF) y hierve a +373,15 kelvin (100 ºC, 212 ºF). Los grados kelvin y Centígrados representan el mismo incremento de temperatura, pero un grado Fahrenheit es 5/9 de ese incremento.
Dado que la mezcla original era caliente y térmica, los físicos pueden aplicarle todo lo que saben al estudiar mezclas similares en el laboratorio. Esto garantiza sus análisis teóricos y genera confianza de que realmente entendemos lo que estamos viendo.
Las características de la agitación térmica son bien conocidas a partir del análisis teórico y la confirmación experimental. La temperatura determina la mayor parte de sus características.
Robert Brown (botánico británico, 1773–1858) usó un microscopio para observar pequeñas partículas suspendidas en un líquido. Descubrió que se mueven de forma errática. En 1905 Einstein explicó que el movimiento errático surge porque la agitación térmica aleatoria de las moléculas del líquido provoca fluctuaciones de presión. La presión neta es ligeramente mayor primero en un lado de una partícula pequeña y luego en el otro. Posteriormente, los experimentalistas confirmaron la explicación de Einstein.
La presión de agitación térmica no es completamente constante. Proviene de un bombardeo aleatorio de partículas. Dado que el bombardeo es aleatorio, la presión tiene pequeñas fluctuaciones. Las fluctuaciones son el resultado visible de la agitación térmica. La luz del universo primitivo es la luz térmica más perfecta que los físicos hayan analizado jamás. Las fluctuaciones son la evidencia de que el fondo detectado por Penzias y Wilson es realmente la primera luz.
El universo tal como es ahora no podría haberse formado a partir de un estado inicial perfectamente uniforme. No puede haber atracción gravitacional neta si todo la materia y la energía se distribuyen uniformemente en todos los puntos del espacio. La fuerza gravitacional es directamente proporcional a la masa de la materia y la masa equivalente de la energía en un punto dado. Si la masa total de material y energía es la misma en todos los puntos, entonces la atracción de cualquier punto contrarresta exactamente la atracción de todos los demás puntos.
Si dos equipos que juegan tira y afloja son igualmente fuertes, no puede haber movimiento siempre que la cuerda sea más fuerte que los equipos.
Las fluctuaciones, sin embargo, permiten que algunas regiones tiren más que otras. Las regiones que tiraron con más fuerza fueron las regiones más densas, aquellas con la mayor cantidad de materia y energía empaquetadas en ellas. Atraían materia y energía de las regiones más enrarecidas. El movimiento de la materia y la energía atraídos dejó las regiones densas más densas y las regiones enrarecidas más enrarecidas. Esto hizo que las fluctuaciones fueran más pronunciadas. También hizo que las regiones densas atrajeran más fuertemente.
Las densas fluctuaciones originales servían como semillas de condensación o centros de atracción. La gravedad de las regiones densas los comprimió y los calentó nuevamente. También barrió el espacio desnudo e hizo que las regiones enrarecidas se enrarecieran aún más. Eventualmente, las regiones enrarecidas se unieron, formando un vacío oscuro y frío salpicado de densas nubes de gas brillante y caliente. Las densas nubes se convirtieron en galaxias que contenían estrellas y planetas. El universo tomó el aspecto que vemos ahora en el cielo nocturno: puntos aislados de luz y calor en un vacío oscuro.
Los investigadores ya han estudiado la primera luz con antenas incluso más grandes que la que usaron Penzias y Wilson. La atmósfera terrestre absorbe gran parte de la señal. Para ver mejor, los experimentadores trabajaron con antenas en la cima de la montaña y en globos. En 1989, la NASA lanzó el Cosmic Background Explorer (COBE). En el espacio exterior, este satélite estaba lejos de la interferencia humana en la Tierra. También estaba fuera de la atmósfera. A partir de ahí, los instrumentos estudiaron las ondas electromagnéticas que Penzias y Wilson llamaron “fondo”. Cuando las olas comenzaron, eran luz ordinaria, quizás un poco más rojizas que la luz del sol. Por esta razón, los experimentadores pueden presentar sus datos como una “fotografía”.
Más recientemente, WMAP ha “fotografiado” la primera luz con mayor resolución y refinado la imagen del satélite COBE.
El calor y la luz produjeron la presión que impulsó la expansión. Al igual que los rayos gamma originales, las partículas recién materializadas también se movían en todas direcciones a varias velocidades. Este tipo de movimiento, enteramente debido al calor y completamente aleatorio, es lo que llamamos agitación térmica. Su presión depende únicamente de la temperatura.
La gente conoce la temperatura relativa, medida por encima o por debajo del punto de congelación del agua en la escala centígrada o Celsius, o por encima o por debajo de la temperatura de una mezcla de sal y hielo bien drenada en la escala Fahrenheit. Los científicos miden la temperatura absoluta desde la temperatura más baja posible, una temperatura tan baja que cesa la agitación térmica y las partículas se congelan juntas. La temperatura más baja posible se llama “cero absoluto.” En las escalas más familiares es -273,15 ºC o -459,67 ºF.
Los científicos ya no usan la palabra "grados" cuando citan una temperatura absoluta. La unidad de temperatura absoluta es el kelvin, en honor a William Thomson Kelvin (matemático y físico británico, 1824–1907). El kelvin es una unidad de temperatura al igual que el metro es una unidad de distancia y el segundo es una unidad de tiempo. No decimos “grados metro” o “grados segundos.” En la escala de temperatura absoluta, el agua se congela a +273,15 kelvin (0 ºC, 32 ºF) y hierve a +373,15 kelvin (100 ºC, 212 ºF). Los grados kelvin y Centígrados representan el mismo incremento de temperatura, pero un grado Fahrenheit es 5/9 de ese incremento.
Dado que la mezcla original era caliente y térmica, los físicos pueden aplicarle todo lo que saben al estudiar mezclas similares en el laboratorio. Esto garantiza sus análisis teóricos y genera confianza de que realmente entendemos lo que estamos viendo.
Las características de la agitación térmica son bien conocidas a partir del análisis teórico y la confirmación experimental. La temperatura determina la mayor parte de sus características.
Robert Brown (botánico británico, 1773–1858) usó un microscopio para observar pequeñas partículas suspendidas en un líquido. Descubrió que se mueven de forma errática. En 1905 Einstein explicó que el movimiento errático surge porque la agitación térmica aleatoria de las moléculas del líquido provoca fluctuaciones de presión. La presión neta es ligeramente mayor primero en un lado de una partícula pequeña y luego en el otro. Posteriormente, los experimentalistas confirmaron la explicación de Einstein.
La presión de agitación térmica no es completamente constante. Proviene de un bombardeo aleatorio de partículas. Dado que el bombardeo es aleatorio, la presión tiene pequeñas fluctuaciones. Las fluctuaciones son el resultado visible de la agitación térmica. La luz del universo primitivo es la luz térmica más perfecta que los físicos hayan analizado jamás. Las fluctuaciones son la evidencia de que el fondo detectado por Penzias y Wilson es realmente la primera luz.
El universo tal como es ahora no podría haberse formado a partir de un estado inicial perfectamente uniforme. No puede haber atracción gravitacional neta si todo la materia y la energía se distribuyen uniformemente en todos los puntos del espacio. La fuerza gravitacional es directamente proporcional a la masa de la materia y la masa equivalente de la energía en un punto dado. Si la masa total de material y energía es la misma en todos los puntos, entonces la atracción de cualquier punto contrarresta exactamente la atracción de todos los demás puntos.
Si dos equipos que juegan tira y afloja son igualmente fuertes, no puede haber movimiento siempre que la cuerda sea más fuerte que los equipos.
Las fluctuaciones, sin embargo, permiten que algunas regiones tiren más que otras. Las regiones que tiraron con más fuerza fueron las regiones más densas, aquellas con la mayor cantidad de materia y energía empaquetadas en ellas. Atraían materia y energía de las regiones más enrarecidas. El movimiento de la materia y la energía atraídos dejó las regiones densas más densas y las regiones enrarecidas más enrarecidas. Esto hizo que las fluctuaciones fueran más pronunciadas. También hizo que las regiones densas atrajeran más fuertemente.
Las densas fluctuaciones originales servían como semillas de condensación o centros de atracción. La gravedad de las regiones densas los comprimió y los calentó nuevamente. También barrió el espacio desnudo e hizo que las regiones enrarecidas se enrarecieran aún más. Eventualmente, las regiones enrarecidas se unieron, formando un vacío oscuro y frío salpicado de densas nubes de gas brillante y caliente. Las densas nubes se convirtieron en galaxias que contenían estrellas y planetas. El universo tomó el aspecto que vemos ahora en el cielo nocturno: puntos aislados de luz y calor en un vacío oscuro.
En el mapa superior del cielo, las regiones cálidas y densas son blancas. Las regiones frías y enrarecidas son negras. La gravedad concentró la luz y el material en regiones cálidas y densas, dejando el resto del espacio vacío y frío en el mapa inferior del cielo.
Separando la luz de la oscuridad
Nuestro tipo de vida depende de arreglos complejos de átomos. Los átomos no pueden mantenerse unidos a temperaturas de millones de grados ni inclusive de miles de grados. Pero cuando se formaron los primeros átomos, todavía estaban calientes y se extendieron casi uniformemente por todo el universo. Si la temperatura, la presión y la densidad fueran siempre perfectamente uniformes, nunca habría habido un lugar habitable en el universo. El hábitat de la vida debe tener temperaturas moderadas, esas que hacen que el agua sea líquida, ni congelada como hielo ni hervida en vapor. Pero una fuente mucho más caliente debe suministrar luz y calor a la vida. Un universo perfectamente uniforme no puede tener una estrella como el Sol y un planeta con temperaturas moderadas como la Tierra.
Afortunadamente para nosotros, el universo no era perfectamente uniforme. Hubo fluctuaciones de temperatura, presión y densidad. Estas fluctuaciones tenían que existir si la mezcla ardiente iba a separarse en regiones concentradas, algunas lo suficientemente calientes como para suministrar luz y otras a temperaturas moderadas donde los átomos pudieran formar los arreglos complejos que requiere la vida. La luz tenía que separarse de la oscuridad.
Nuestro tipo de vida depende de arreglos complejos de átomos. Los átomos no pueden mantenerse unidos a temperaturas de millones de grados ni inclusive de miles de grados. Pero cuando se formaron los primeros átomos, todavía estaban calientes y se extendieron casi uniformemente por todo el universo. Si la temperatura, la presión y la densidad fueran siempre perfectamente uniformes, nunca habría habido un lugar habitable en el universo. El hábitat de la vida debe tener temperaturas moderadas, esas que hacen que el agua sea líquida, ni congelada como hielo ni hervida en vapor. Pero una fuente mucho más caliente debe suministrar luz y calor a la vida. Un universo perfectamente uniforme no puede tener una estrella como el Sol y un planeta con temperaturas moderadas como la Tierra.
Afortunadamente para nosotros, el universo no era perfectamente uniforme. Hubo fluctuaciones de temperatura, presión y densidad. Estas fluctuaciones tenían que existir si la mezcla ardiente iba a separarse en regiones concentradas, algunas lo suficientemente calientes como para suministrar luz y otras a temperaturas moderadas donde los átomos pudieran formar los arreglos complejos que requiere la vida. La luz tenía que separarse de la oscuridad.