Troben la radiació de fons

Cap a 1950 George Gamow i els seus col·legues (Ralph Alpher i Robert Hermann) ja van predir i publicar l’existència d’una radiació de fons, romanent de l’univers primitiu que, segons els seus càlculs, actualment havia de ser equivalent a una temperatura mitjana de l’univers de 5 K. Com veurem avui, els càlculs no eren del tot correctes, però resulta sorprenent que l’article passés desapercebut i encara més, que fins el 1964, ningú seguís la línia de raonament que implicava que,  per les proporcions d’hidrogen i heli trobades a l’univers, aquest havia de contenir un fons de radiació que podia ser encara observat. Aquesta és l’opinió de Steven Weinberg, premi Nobel de l’any 1979 per la seva contribució, amb altres (Sheldom Glashow, Abdus Salam) a la teoria d’unificació entre la força electrodèbil i l’electromagnètica. (1)

Però vegem com és que van trobar la radiació de fons. Ens basarem en la descripció que fa el propi Steven Weinberg en el seu llibre “Los tres primeros minutos del universo” (1).

El 1964, la companyia Bell Telephon tenia una antena de ràdio a Crawford Hill, Holmdel, New Jersey, per a les comunicacions via satèl·lit. Per les seves característiques, un reflector de 6 m amb forma de banya (antena botzina) i un nivell de soroll de fons molt baix, era un instrument que es podia utilitzar en radioastronomia. Arno Penzias i Robert Wilson, radioastrònoms de la Bell Telephon, van començar a utilitzar l’antena per a mesurar les ones de ràdio provinents de la part de la nostra galàxia fora del pla equatorial, que és on està acumulada la major part de la massa de la galàxia.

Antena utilitzada per Arno Penzias i Robert Wilson. Imatge de Wikimedia Commons.

Aquest tipus de mesura és molt difícil de fer. La majoria de les fonts de ràdio astronòmiques són en si mateixes com una mena de soroll de fons similar al que se sent a la ràdio o a la TV quan no es té sintonitzada cap emissora. Quan s’apunta una antena cap a una estrella o galàxia llunyanes, es pot diferenciar el senyal que es rep directament de l’objecte i el que es rep del cel buit del costat, de forma que aquest es pot anular de l’observació per obtenir el que prové només de l’objecte. Però si el que es vol observar és el cel de la galàxia, s’han d’haver eliminat prèviament tots els sorolls possibles.

Així, per portar a terme la mesura de les ones de ràdio provinents del cel de la nostra galàxia, havien d’assegurar-se que eliminaven qualsevol senyal provinent de la Terra i inclús de la pròpia antena, de la mateixa estructura de l’antena. Van començar per estudiar el senyal d’una font de radiació refredada amb He líquid a 4 K. Ja que l’emissió d’aquesta font és pràcticament nul·la, tot el senyal enregistrat hauria de ser,
– de la pròpia estructura de l’antena,
– de l’atmosfera de la Terra i
– de l’espai exterior a la Terra.

Van fer mesures a longitud d’ona de 7,35 cm, de la banda de les microones, obtenint un soroll de fons. Van escollir aquesta longitud d’ona perquè en ella el soroll degut a la nostra galàxia és negligible. Va ser fàcil determinar el soroll provinent de l’atmosfera de la Terra. Com aquest depèn de la direcció, segons el gruix d’atmosfera que es travessa, es podien identificar els senyals que variessin segons el gruix d’atmosfera travessada i descartar-los.

Un cop fet això, encara trobaven a longitud d’ona de 7,35 cm una quantitat de soroll que no depenia de la direcció de detecció. Apuntant a diferents direccions del cel, sempre es trobava el mateix soroll. Ara havien d’assegurar-se que no vingués de la pròpia antena. S’havia observat que dos coloms havien estat al coll de l’antena dies abans i van trobar que havien deixat allà el que Penzias anomenà “un material dielèctric blanc”. Van capturar i fer fora els coloms, que van tornar un altre cop i els van haver de capturar de nou i assegurar-se de que no tornarien a pujar a l’antena. Van netejar l’antena i fent noves mesures, van trobar només una petita disminució del soroll de fons.

Mancava encara determinar si venia de la nostra galàxia o de més enllà. El fet de que no variés amb la direcció amb que apuntaven l’antena indicava que no provenia de la nostra galàxia, que té una concentració de massa a la zona equatorial, la que s’ha vist sempre des de la Terra que creua el cel de nord a sud. Si fos de la nostra galàxia hauria d’haver donat un senyal més fort quan s’apuntava l’antena cap a la zona equatorial. Una altra raó era que, examinant amb l’antena la galàxia d’Andròmeda, la nostra veïna i de característiques similars, tampoc s’observava cap variació.

La conclusió era doncs que s’havia trobat un soroll de fons uniforme, provinent de l’univers. Aleshores van quantificar aquest soroll, aquesta emissió de ràdio, en la forma habitual. Ja que qualsevol objecte per sobre del zero absolut de temperatura emet ones de ràdio degudes als moviments tèrmics dels electrons de la seva estructura, es pot establir una relació entre l’energia de la radiació emesa i la temperatura del cos. Segons aquesta relació, l’energia de les ones de ràdio trobades, eren emeses per un cos estès uniformement per tot l’univers, que es trobava a una temperatura de 3,5 K, o més exactament, entre 2,5 i 4,5 K.

Aquest resultat va ser sorprenent per a Penzias i Wilson que pensaven que, sent una temperatura molt baixa, era molt més alta de la que es podien esperar per un soroll de fons com el que ells de bon principi buscaven. Realment no van ser conscients immediatament de que es tractava del major descobriment cosmològic des de els desplaçaments al vermell, dels que hem parlat ja fa dies.

Com es va a donar a conèixer el descobriment i es va copsar la seva importància? (1) (2)

Anem ara a parlar un moment dels astrònoms teòrics. El març de 1965, pràcticament en paral·lel al treball de Penzias i Wilson, un jove teòric de Princeton, Jim Peebles havia donat una xerrada i escrit  un resum explicant que, en els primers minuts de l’univers hauria d’haver hagut una intensa radiació que evités que les reaccions nuclears de formació dels nuclis pesants es produïssin molt ràpidament,
de forma que es mantinguessin les proporcions d’hidrogen i heli, els nuclis més lleugers, que hi ha actualment. Peebles calculava que la radiació romanent, refredada per l’expansió de l’univers hauria de ser actualment equivalent a uns 10 K. Era el mateix raonament que hem dit al començament que Gamow i els seus col·legues, estudiant justament la formació dels nuclis a l’univers primitiu, ja havien fet i publicat 15 anys abans.

Penzias va parlar amb Bernard Burke, radioastrònom del MIT i li va comentar que havia alguna cosa que no comprenia en el soroll de fons que havia trobat. Burke havia sentit parlar de la xerrada de Peebles i va suggerir a Penzias que parlés amb els astrònoms de Princeton. De fet Peebles havia fet la seva predicció perquè Robert Dicke, físic experimental de Princeton, el 1964 va pensar que havia d’haver un romanent de radiació de la primera etapa de l’univers, que segurament seria detectable i va començar a buscar-la. Posats en contacte Penzias i Wilson amb els físics de Princeton, van publicar un parell de cartes conjuntes a la revista Astrophysical Journal, anunciant Penzias i Wilson que havien trobat “una temperatura de soroll zenital efectiva d’uns 3,5 K superior al que esperaven ” i els físics de Princeton donant l’explicació cosmològica.

Penzias i Wilson van ser premiats amb el Nobel de l’any 1978 per el seu descobriment. Van compartir el premi amb Piotr Kapitsa, que va ser premiat pels seus estudis de física de baixa temperatura amb heli líquid, que no estaven directament relacionats amb el descobriment de Penzias i Wilson. (3)

Només una última reflexió de Steven Weinberg sobre el parèntesi de 15 anys entre la primera idea publicada sobre la radiació de fons i el seu descobriment: (1)
– Gamow i els seus col·legues treballaven en una teoria cosmològica molt àmplia que pretenia explicar la formació dels elements químics i en el que la radiació de fons era només un detall.
– Weinberg creu que el fet de que ningú es posés a buscar la radiació de fons va ser el clàssic exemple de la ruptura entre teòrics i experimentals. El propi Gamow va escriure posteriorment, 1967, a Peebles dient que el seu grup no havia considerat mai la possibilitat de detectar la radiació romanent.
– Els físics no es van prendre massa seriosament les teories sobre l’univers primitiu perquè els primers minuts de l’univers estan tan lluny de la nostra percepció que resulten fins i tot incòmodes.
Segons Weinberg, el principal mèrit del descobriment de la radiació de fons de microones va ser obligar-nos a tots a prendre seriosament la idea de que va haver un univers primitiu, del que l’actual és la conseqüència.

Fonts d’informació utilitzades:

(1) Steven Weinberg. Los tres primeros minutos del universo. Alianza Universidad. 1988.
(2) http://www.astro.ubc.ca/people/scott/cmb_intro.html
(3) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1978/press.html

Audio de la xerrada.

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles· del 9 de maig de 2013.

 

Aquesta entrada ha esta publicada en cosmologia, premis nobel. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari