Descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas - Discovery of cosmic microwave background radiation
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El descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas constituye un avance importante en la cosmología física moderna . En 1964, el físico estadounidense Arno Allan Penzias y el radioastrónomo Robert Woodrow Wilson descubrieron el CMB, estimando su temperatura en 3,5 K, mientras experimentaban con la antena Holmdel Horn . Las nuevas mediciones fueron aceptadas como evidencia importante para un Universo temprano caliente ( teoría del Big Bang ) y como evidencia en contra de la teoría rival del estado estacionario, ya que el trabajo teórico alrededor de 1950 mostró la necesidad de un CMB para la coherencia con los modelos de universo relativistas más simples . En 1978, Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física por su medición conjunta. Andrew McKellar realizó una medición previa de la radiación de fondo cósmico ( CMB ) en 1941 a una temperatura efectiva de 2,3 K utilizando líneas de absorción estelar CN observadas por WS Adams. Aunque McKellar no hace ninguna referencia al CMB, no fue hasta mucho más tarde, después de las mediciones de Penzias y Wilson, que se comprendió la importancia de esta medición.
Historia
A mediados del siglo XX, los cosmólogos habían desarrollado dos teorías diferentes para explicar la creación del universo. Algunos apoyaron la teoría del estado estable , que establece que el universo siempre ha existido y seguirá sobreviviendo sin cambios notables. Otros creían en la teoría del Big Bang , que establece que el universo fue creado en un evento similar a una explosión masiva hace miles de millones de años ( luego se determinó que fue de aproximadamente 13,8 mil millones de años ).
En 1941, Andrew McKellar utilizó las observaciones espectroscópicas de WS Adams de las líneas de absorción de CN en el espectro de una estrella de tipo B para medir una temperatura de fondo de cuerpo negro de 2,3 K. McKellar se refirió a su detección como una "temperatura 'rotacional' de moléculas interestelares". sin hacer referencia a una interpretación cosmológica, afirmando que la temperatura "tendrá su propio significado, quizás limitado".
Más de dos décadas después, trabajando en Bell Labs en Holmdel, Nueva Jersey , en 1964, Arno Penzias y Robert Wilson estaban experimentando con una antena de bocina supersensible de 6 metros (20 pies) construida originalmente para detectar ondas de radio que rebotaban en los satélites del globo Echo . Para medir estas débiles ondas de radio, tuvieron que eliminar todas las interferencias reconocibles de su receptor. Eliminaron los efectos del radar y la radiodifusión , y suprimieron la interferencia del calor en el propio receptor enfriándolo con helio líquido a -269 ° C, solo 4 K por encima del cero absoluto .
Cuando Penzias y Wilson redujeron sus datos, encontraron un ruido bajo, constante y misterioso que persistía en su receptor. Este ruido residual fue 100 veces más intenso de lo que esperaban, se extendió uniformemente por el cielo y estuvo presente día y noche. Tenían la certeza de que la radiación que detectaban en una longitud de onda de 7,35 centímetros no procedía de la Tierra , el Sol o nuestra galaxia . Después de revisar a fondo su equipo, quitar algunas palomas que anidan en la antena y limpiar los excrementos acumulados , el ruido permaneció. Ambos concluyeron que este ruido provenía de fuera de nuestra propia galaxia, aunque no estaban al tanto de ninguna fuente de radio que pudiera explicarlo.
Al mismo tiempo, Robert H. Dicke , Jim Peebles y David Wilkinson , astrofísicos de la Universidad de Princeton a solo 60 km (37 millas) de distancia, se preparaban para buscar radiación de microondas en esta región del espectro. Dicke y sus colegas razonaron que el Big Bang debe haber dispersado no solo la materia que se condensó en galaxias. pero también debe haber liberado una tremenda explosión de radiación. Con la instrumentación adecuada, esta radiación debería ser detectable, aunque en forma de microondas, debido a un corrimiento al rojo masivo .
Cuando su amigo Bernard F.Burke , profesor de física en el MIT , le contó a Penzias sobre un artículo preimpreso que había visto por Jim Peebles sobre la posibilidad de encontrar radiación sobrante de una explosión que llenó el universo al comienzo de su existencia, Penzias y Wilson comenzó a darse cuenta del significado de lo que creían que era un nuevo descubrimiento. Las características de la radiación detectada por Penzias y Wilson se ajustan exactamente a la radiación predicha por Robert H. Dicke y sus colegas de la Universidad de Princeton. Penzias llamó a Dicke en Princeton, quien de inmediato le envió una copia del artículo de Peebles aún inédito. Penzias leyó el periódico y volvió a llamar a Dicke y lo invitó a Bell Labs a mirar la antena de la bocina y escuchar el ruido de fondo. Dicke, Peebles, Wilkinson y PG Roll interpretaron esta radiación como una firma del Big Bang.
Para evitar posibles conflictos, decidieron publicar sus resultados de forma conjunta. Se apresuraron dos notas a Astrophysical Journal Letters . En el primero, Dicke y sus colaboradores destacaron la importancia de la radiación cósmica de fondo como fundamento de la teoría del Big Bang. En una segunda nota, firmada conjuntamente por Penzias y Wilson titulada, "Una medición del exceso de temperatura de la antena a 4080 megaciclos por segundo", informaron la existencia de un ruido de fondo residual de 3,5 K, que queda después de tener en cuenta un componente de absorción del cielo de 2,3 K y un componente instrumental de 0,9 K, y se le atribuye una "posible explicación" como la que da Dicke en su carta acompañante.
En 1978, Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física por su detección conjunta. Compartieron el premio con Pyotr Kapitsa , quien lo ganó por trabajos no relacionados. En 2019, Jim Peebles también recibió el Premio Nobel de Física, "por descubrimientos teóricos en cosmología física".
Bibliografía
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Referencias
enlaces externos
- " Antena de cuerno de astronomía y astrofísica ". Servicio de Parques Nacionales, Departamento del Interior.