Premio Nobel de Física 2006

John C. Mather George SmootCOBE

George Gamow, junto a sus colaboradores Alpher y Hermann, predijo en 1947 que debía existir un fondo cósmico de radiación con una temperatura de alrededor de 1 K.

La predicción

Durante la era dominada por la radiación, cuando la temperatura se encuentra entre 1 y 0.01 MeV (o sea, entre 1s y 1 hora después del Big Bang) el Universo se comporta como un reactor nuclear, produciendo cantidades significativas de los elementos livianos (hasta

7Li).

Los datos observacionales son que el 24% de la masa total de bariones en el Universo está en forma de núcleos de Helio. La densidad numérica de núcleos de deuterio y litio es de 10-5 y 10-10 veces la del hidrógeno, respectivamente.

La síntesis de elementos livianos comienza cuando el Universo está lo suficientemente frío como para que la fotodisociación del deuterio sea improbable.

MeV1.0T

Por otro lado, para que la reacción sea eficaz, la velocidad típica de una partícula debe ser mayor que la velocidad de recesión de dos partículas separadas por un camino libre medio (criterio de Gamow)

Hdv

Criterio de Gamow

Hdv

Criterio de Gamow

nd

1

Hdv

Criterio de Gamow

nd

1

Hvn

Criterio de Gamow

Hvn 2a

Criterio de Gamow

Hvn 2a

3a

El hecho de que no todo el deuterio es convertido en helio cuando el Universo se enfría por debajo de 0.1 MeV sugiere que muy poco después la reacción de captura de un nuevo nucleón deja de satisfacer el criterio de Gamow.

Esta observación nos permite vincular la densidad de bariones y la de fotones

1010

nnB

El número de fotones por barión permanece constante a lo largo de la expansión del Universo. Como hoy hay aproximadamente 1 barión por metro cúbico, se deduce que la radiación cósmica de fondo tiene una temperatura

Kkhc

TB

13/1

El descubrimiento

Penzias y Wilson habían construído una antena especialmente adaptada para el estudio de las emisiones de radio de la galaxia.

Sin embargo, se encontraron con una señal cuya amplitud era independiente de la orientación de la antena.

Luego de descartar un ruido de origen local, y tras consultar con Dicke y su grupo, llegaron a la conclusión de que la señal en cuestión era de origen cósmico.

Cleaning the Antenna

COBE

COBE tenía poca resolución angular

La resolución de COBE era de unos 7 grados; la teoría predice que las cosas interesantes ocurren en escalas de 1 grado o menos.

Luego de COBE, se realizaron un gran número de experimentos, el más ambicioso de los cuales fue el satélite WMAP

La física

Durante sus primeras etapas, el Universo era demasiado caliente como para que atomos neutros pudieran existir de manera estable. En consecuencia, el camino libre de un fotón era muy corto, y el Universo era opaco.

Cuando la temperatura cae por debajo de 1 eV (unos 300.000 años después de la Gran Explosión), protones y electrones se combinan en átomos de hidrógeno. El Universo se vuelve transparente.

La radiación cósmica de fondo es la radiación existente en ese momento, corrida al rojo por la expansión del Universo desde entonces. Puesto que no ha sido dispersada nuevamente, preserva la imagen del Universo tal como era en el momento de emisión.

Resultados: qué se mide y para qué

Los mapas de la radiación de fondo son muy lindos, pero...

Para extraer información cuantitativa, se desarrolla el mapa de fluctuaciones en la temperatura en armónicos esféricos

ml

lmlmYaTT

,

,,

La teoría no predice el valor de los coeficientes; éstos son una variable aleatoria gaussiana, con media cero y autocorrelación

mmlllCaa mllm *

La teoría predice los Cl

Cada característica de esta curva se correlaciona con una propiedad del Universo

(rad)/(mat)

(rad)/(bar)

Espectro primordial Reionización

Además de amplitud, es posible medir polarización.

electrónisótropo

anisótropo

radiación natural

polarización

La dispersión de la radiación por materia ionizada produce polarización, siempre y cuando la radiación incidente sea anisótropa en el marco de referencia de los electrones.

Un fondo primordial de ondas gravitatorias también produce polarización.

La polarización puede descomponerse en modos E (pares frente a paridad) y modos B (impares). La dispersión de Thomson sólo genera modos E, y en contrafase respecto de las fluctuaciones en la densidad. Ondas gravitatorias generan ambos tipos de modos.

Tambien se produce polarización E por dispersión en nubes de gas caliente (z<10), y polarización E y B por efectos de lente gravitatoria

Se ha medido la polarización E y su correlación con la temperatura.

No se han detectado todavía modos B

El futuro: Planck

¿No hay dos sin tres?

?Matías Zaldarriaga, Beca Mac Arthur 2006