Hace 50 años nació la teoría del Big Bang

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.

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.

“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 realmente el principio de la cosmología moderna”. En 1978, él y Penzias recibieron 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.

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 de las observaciones. 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 preparaban una antena de comunicaciones de los laboratorios Bell para usarla en la investigación del cielo. Tenían que calibrar los equipos para poder restar la radiación terrestre y galáctica, y el ruido de la propia antena, de las observaciones científicas que hicieran.

Enseguida surgió “el problema”, recordaba Wilson la semana pasada, en el aniversario del hallazgo celebrado en el Centro Harvard Smithsonian de Astrofísica. El problema era un ruido de fondo cuyo origen no lograban identificar. Lo revisaron todo una y otra vez, e incluso sospecharon 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 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 charla con un colega les dio la pista: un grupo de físicos teóricos de la Universidad de Princeton trabajaba sobre la hipótesis de que la radiación de aquel universo primitivo superconcentrado y supercaliente se habría enfriado por la expansión del universo y sería ahora equivalente a pocos grados por encima del cero absoluto.

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 sobre la interpretación cosmológica de radiación de fondo de microondas. Lo cierto es que varios científicos habían avanzado en estas hipótesis.

“Entonces supimos que no sólo la vida es un fenómeno evolutivo y espontáneo; el universo entero 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 CERN.

Pero ¿qué es esa radiación difusa de microondas en toda la bóveda celeste? Durante los primeros tiempos tras la explosión inicial, el universo estaba demasiado caliente para que los átomos fueran estables. En ese entorno de núcleos y electrones sueltos los fotones de luz no podían circular libremente y el cosmos era como una sopa opaca. Cuando el universo tenía unos 380.000 años se había enfriado lo suficiente como para que se formaran átomos neutrones 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 a pocos grados Kelvin de la radiación de Penzias y Wilson.

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.

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.

“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 realmente el principio de la cosmología moderna”. En 1978, él y Penzias recibieron 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.

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 de las observaciones. 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 preparaban una antena de comunicaciones de los laboratorios Bell para usarla en la investigación del cielo. Tenían que calibrar los equipos para poder restar la radiación terrestre y galáctica, y el ruido de la propia antena, de las observaciones científicas que hicieran.

Enseguida surgió “el problema”, recordaba Wilson la semana pasada, en el aniversario del hallazgo celebrado en el Centro Harvard Smithsonian de Astrofísica. El problema era un ruido de fondo cuyo origen no lograban identificar. Lo revisaron todo una y otra vez, e incluso sospecharon 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 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 charla con un colega les dio la pista: un grupo de físicos teóricos de la Universidad de Princeton trabajaba sobre la hipótesis de que la radiación de aquel universo primitivo superconcentrado y supercaliente se habría enfriado por la expansión del universo y sería ahora equivalente a pocos grados por encima del cero absoluto.

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 sobre la interpretación cosmológica de radiación de fondo de microondas. Lo cierto es que varios científicos habían avanzado en estas hipótesis.

“Entonces supimos que no sólo la vida es un fenómeno evolutivo y espontáneo; el universo entero 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 CERN.

Pero ¿qué es esa radiación difusa de microondas en toda la bóveda celeste? Durante los primeros tiempos tras la explosión inicial, el universo estaba demasiado caliente para que los átomos fueran estables. En ese entorno de núcleos y electrones sueltos los fotones de luz no podían circular libremente y el cosmos era como una sopa opaca. Cuando el universo tenía unos 380.000 años se había enfriado lo suficiente como para que se formaran átomos neutrones 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 a pocos grados Kelvin de la radiación de Penzias y Wilson.