Radiació de fons, un altre Nobel el 2006

Les determinacions de la radiació de fons de microones fetes des de la Terra, inclosa la primera de Penzias i Wilson de 1964, presentaven la dificultat de que l’atmosfera absorbeix una bona part de la radiació. Fins i tot fent les determinacions des de muntanyes altes o globus meteorològics no s’obtenia una bona definició de la radiació. A més a més resultava impossible dirigir l’antena cap a qualsevol part de l’univers, pel mateix fet d’estar situada al costat de la Terra, amb el que no es podia demostrar que fos la  mateixa radiació en qualsevol direcció. Per tal d’eliminar aquests dos inconvenients, la NASA, el 1974, va convidar a astrònoms i cosmòlegs a presentar propostes per nous experiments de mesura des de l’espai, el que va portar al desenvolupament del projecte COBE, “COsmic Background Explorer”, “explorador del fons còsmic”. El projecte va consistir en posar en òrbita un satèl·lit amb un radiotelescopi per a poder explorar el fons de l’univers. (1) (2) (3)

John Mather, astrofísic de la NASA, va ser el veritable motor de l’equip de a prop de mil científics i enginyers que van treballar al projecte i també va estar encarregat d’un dels instruments. George Smooth, astrofísic del laboratori Berkeley de la universitat de California, havia treballat en la detecció de diferències de temperatura en funció de la direcció en la radiació de fons i va proposar a la NASA la utilització de la tècnica i el detector que ell havia utilitzat. La seva proposta va ser acceptada i el detector incorporat al satèl·lit COBE, que va ser llençat el 18 de novembre de 1989.

Què va descobrir el COBE?

Primer: John Mather era el responsable de l’instrument que va analitzar l’espectre de la radiació de fons de microones i va comprovar que s’ajusta molt exactament a l’espectre d’un cos negre a la temperatura de 2,7 K, en l’interval de longituds d’ona de 0,28 a 3,3 mil·límetres, el que confirma la idea d’una gran explosió inicial. (4) (5)

Expliquem una mica això:
Un cos negre en física és un cos ideal que absorbeix tota l’energia radiant que incideix a sobre d’ell i l’emet amb una intensitat que depèn de la longitud d’ona i de la temperatura. L’espectre d’emissió del cos negre va ser descrit per Planck i aquesta descripció està a l’origen de la teoria quàntica. L’emissió de radiació dels cossos reals s’estudia amb relació a l’emissió del cos negre (ideal) a la mateixa temperatura. Les estrelles es comporten aproximadament com a cossos negres.

La radiació de fons observada pel COBE és el cos negre més perfecte que es pot observar a la natura, correspon a la temperatura de 2,7 K i suposa que l’univers, aproximadament 1 segon després de l’instant inicial, es comportava com un cos negre a la temperatura de 10 ^10 K que s’ha anat refredant, conforme s’anava expansionant, fins a la temperatura actual. Això és el que serveix per a confirmar la teoria del Big Bang.
La idea que ara confirma el COBE ja va ser apuntada per Gamow i per Peebles, segons hem explicat en les dues xerrades anteriors: en els primers instants de l’univers la interacció (xocs) entre protons, neutrons i fotons era tan intensa que impedia la formació de nuclis per unió de protons i neutrons. Al cap de tres minuts, entre el minut tres i el quatre, ja es comencen a unir protons i neutrons formant nuclis lleugers (deuteri, triti, heli) coexistint encara amb electrons i fotons. Cap a 700.000 anys més tard, segons Steven Weinberg, ja es formen àtoms estables, per unió dels electrons als nuclis i l’univers es fa transparent a la radiació, els fotons deixen d’interactuar tan intensament amb els àtoms i nuclis. Aquests fotons que van perdent energia conforme l’univers es va expansionant, acabaran en el nostre temps com radiació de fons de microones, sent un testimoni de la gran explosió inicial. (6)
Segon: Dotze anys després del descobriment de Penzias i Wilson, George Smooth i el seu grup descobreixen irregularitats (anisotropia) en el mapa de la radiació de fons, que podrien explicar la formació d’estrelles i galàxies. Van haver de tenir en compte la influència de la pròpia galàxia i objectes més propers i massius com la Lluna o Júpiter. Van trobar una divergència entre les temperatures de diferents parts de l’ordre de una part en cent mil, el que confirma que van haver petites diferències de densitat de matèria que explicarien la formació de galàxies i altres estructures per col·lapse gravitatori d’aquelles irregularitats primordials. La revista “Investigación y ciencia” (4) va publicar un article l’abril de 1993 amb els mapes del cel obtinguts.
Potser la pregunta més interessant seria: ¿Què va provocar aquesta anisotropia?
L’article referit (4) dona algunes raons: els fotons podien haver patit les conseqüències gravitatòries de les variacions de densitat que provindrien de l’etapa inflacionària de l’univers, etapa d’una forta i accelerada expansió que va tenir lloc entre els instants 10^-43 i 10^-33 segons. Aquestes variacions de la densitat dels instants inicials són independents de l’escala, es conserven un cop l’univers s’ha fet molt més gran degut a l’expansió i són responsables de la condensació de la matèria que, per efecte de la gravitació, donarà lloc a la formació de les galàxies milers de milions d’anys més tard.
És a dir, sembla que ja de bon principi, es va generar la llavor que donaria a l’univers l’aspecte actual, deixant un testimoni mut però esclaridor en forma de radiació de microones.

Una segona missió de la NASA per detectar encara amb més precisió les irregularitats de la radiació de fons va ser el Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP, publicant el 2012 el mapa resultat de 9 anys de mesures. (7)

Imatge (NASA) de 2012 del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) resultat de 9 anys de dades.

Encara hi ha una tercera missió, Planck, de la ESA amb participació de la NASA, llençada el 2009, que ens oferirà un mapa més detallat encara. L’estudi de l’anomenada radiació fòssil encara continuarà durant anys proporcionant valuosa informació dels primers instants de l’univers.

¿Qui eren John Mather i George Smooth, principals figures del projecte COBE premiats amb el Nobel de 2006?
Respondrem amb unes pinzellades de les seves autobiografies publicades a la pàgina dels Nobel.

John Mather, va néixer a Virginia el 1946. Entre els 9 i els 11 anys va fer les seves primeres experiències amb la ciència, escoltant emissores amb un kit de ràdio d’ona curta, muntant un petit telescopi refractor o dissenyant un robot amb tubs de buit i controls remots. Va fer el doctorat a la universitat de California, treballant en la determinació de l’espectre de la radiació de fons. És astrofísic de la NASA i professor de física a la universitat de Maryland. (8)
George Smooth, va néixer a Florida el 1945. Explica que, quan era petit, un dia que viatjava en cotxe amb els seus pares va quedar intrigat perquè la Lluna els seguia al llarg de tots els quilòmetres del viatge. L’explicació dels seus pares  que la Lluna era prou gran i estava prou lluny perquè no variés la seva imatge en un petit desplaçament a la Terra, va ser una revelació de que el món pot ser entès per una simple avaluació racional. Va estudiar al MIT, treballant per pagar-se els estudis i estava fent el seu doctorat quan Penzias i Wilson van descobrir la radiació de fons. És professor de física a la universitat de California i investigador al laboratori Berkeley de la mateixa universitat.(9)

George Smooth. Imatge Wikimedia Commons.

Anècdota (10) (11):
George Smooth és un dels dos únics guanyadors d’un famós joc de la TV americana “Are You Smarter than a 5th Grader?” en el que es tracta de contestar 10 preguntes, 2 per cada curs d’escola elemental, de 5 a 10 anys i una pregunta final. El concursant que no arriba al final ha de reconèixer que “no és més intel·ligent que un estudiant de 5è grau d’escola elemental”. George Smooth es va presentar al concurs de la temporada 2008 – 2009 i va deixar ben palès que era almenys tan intel·ligent com un estudiant de 5è grau, per si no era prou la seva trajectòria científica amb premi Nobel inclòs.

Fonts d’informació utilitzades:

(1) Resenya de la pàgina dels nobel, versió popular:
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/popular-physicsprize2006.pdf
(2) Resenya de la pàgina dels nobel, versió avançada:
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/advanced-physicsprize2006.pdf
(3) http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-powered-the-big-bang/
(4) Sanz, José Luis, Martínez-González, E, Radiación cósmica del fondo de microondas, Investigación y Ciencia , Abril 1993   http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-y-ciencia/numeros/1993/4/radiacin-csmica-del-fondo-de-microondas-5110
(5) http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body
(6) Steven Weinberg. Los tres primeros minutos del universo. Alianza Universidad. 1988.
(7) Imatge de la radiació de fons del WMAP  http://map.gsfc.nasa.gov/media/121238/index.html
(8) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/mather.html
(9) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/smoot.html
(10) http://en.wikipedia.org/wiki/Are_You_Smarter_than_a_5th_Grader%3F_%28U.S._game_show%29
(11) http://www.toprealityshows.com/category/are-you-smarter-than-a-5th-grader/

Audio de la xerrada.

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles” del 16 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