Detección de cúmulos de galaxias muy lejanos

Hoy toca comentar sobre un método que se utiliza para detectar cúmulos de galaxias muy lejanos, tanto que no se pueden detectar por la luz que emiten.

Como hemos visto en el post anterior, existe un fondo cósmico de microondas en todas direcciones, que es una imagen de cómo estaba el Universo en sus inicios, y por tanto, es la imagen más antigua que podemos ver de éste.

Dado que es la imagen más lejana (es el “fondo”), todas los objetos que se han formado después (galaxias, cúmulos de galaxias, estrellas, etc) quedan superpuestas a este fondo, alterando la luz que nos viene de él.

Y esto es precisamente lo que podemos usar a nuestro favor para detectar lo que hay por medio.

Efecto Compton inverso

Las galaxias se suelen ir juntando en formaciones mayores, llamadas cúmulos de galaxias, y estas formaciones, además de contar con un gran número de galaxias (depende del tamaño del cúmulo, claro) suele dejar atrapado una gran cantidad de gas en medio del cúmulo, calentándose hasta altas temperaturas, tales que normalmente este gas emite rayos X. A estas temperaturas, cabe destacar que normalmente no se encuentran átomos neutros, sino que los electrones suelen estar libres en el gas.

Ahora bien, cuando se acercan fotones (luz, en este caso proveniente del fondo cósmico) a esta región con gas muy caliente, se producen choques entre los fotones y los electrones del gas.

En el caso en que estos electrones estén a una temperatura normal (y por tanto llevan menos energía), se produce el efecto Compton, que consiste en que el fotón, al chocar con el electrón, le traspasa a éste parte de su energía, provocando al final que la luz que sale del gas sea menos energética (su longitud de onda es mayor, volviéndose más rojos), mientras que los electrones ahora tienen más energía, lo que se traduce en que este gas se calienta.

Sin embargo, en estos casos lo que tenemos son electrones muy energéticos, lo que provoca que el efecto se de al revés: el electrón, que lleva más energía que el fotón, es quien cede energía a éste. Produciendo que el electrón es quien pierde energía, mientras que los fotones la ganan, obteniendo que la longitud de onda de éstos disminuye (se vuelven más azules). Este es el efecto Compton inverso.

Aplicación del efecto en el fondo cósmico de microondas

Ahora viene la aplicación que podemos encontrar debido a este efecto.
Si miramos hacia una dirección determinada en el “mapa” del fondo cósmico de microondas, y en esta dirección resulta que hay un cúmulo de galaxias, no observaremos el espectro normal del fondo (que es aproximadamente igual para todas las direcciones en que miremos), sino que obtenemos unas pequeñas desviaciones, obteniendo que en esa dirección, la luz es ligeramente más energética en promedio que la de otras direcciones.

Así que esto se convierte en una forma eficaz para detectar dónde hay cúmulos de galaxias: observar detenidamente la luz del fondo cósmico de microondas, y ver en qué puntos esta luz se ve alterada respecto a la media.

Y lo más útil es que este efecto es el mismo para cúmulos de galaxias cercanos o lejanos, ya que la luz se verá alterada de igual forma (solo cambiará el tamaño en el cielo con que veremos dicho cúmulo), así que con esto, obtenemos un método para detectar dichos cúmulos sin que influya la distancia a la que estén. Así que podremos observar cúmulos lo suficientemente lejanos que no pueden ser visto por otros métodos más “comunes”.

Salvando problemas

Hasta aquí todo parece fácil, aunque hay un “pequeño” problema que salvar.
Hemos visto que el fondo cósmico no es totalmente uniforme, sino que tiene pequeñas fluctuaciones. Así que la pregunta que podemos hacernos es… ¿cómo se distinge si esta desviación en la luz que observamos en un punto dado se debe a un cúmulo de galaxias o a una fluctuación del propio fondo?.

Por suerte, hay una forma relativamente sencilla de averiguarlo.
Hemos visto que el efecto Compton inverso se da cuando los electrones son más energéticos que los fotones incidentes, por lo tanto, mirando en la misma dirección a diferentes frecuencias, obtendremos que si son fluctuaciones del fondo, se obtendrá el mismo efecto (si dicha zona es más energética, lo seguirá siendo) ya que se deben a la misma causa.
Sin embargo, si se deben a algún cúmulo de galaxia, este efecto (el tener una luz más energética) solo será visto para un rango de frecuencias, así que si observamos a unas frecuencias lo suficientemente altas, dejaremos de observar dicho efecto (y la luz de esa zona dejará de ser más energética de lo normal).

Así se consigue identificar si el fenómeno que observamos se debe realmente a un cúmulo o a otra cosa.

NOTA: El conocimiento de este método se debe a Diego, miembro del IFCA, que en uno de nuestros interrogatorios con innumerables dudas acerca de su asignatura, nos contó esta parte de su trabajo.

Fondo cósmico de microondas

Bueno, después de estas semanas con una actividad casi nula en el blog (pero bastante alta con los exámenes), espero volver a mi ritmo habitual de entradas.

En esta entrada intentaré hablar un poco sobre el fondo cósmico de microondas (CMB).

Antecedentes

En 1915 Einstein sacó a la luz su Teoría de la Relatividad General, con la cual se pudo describir el comportamiento del Universo.
En sus soluciones, Einstein forzó a que dicho Universo fuera estático (no cambiase con el tiempo), de acuerdo a la concepción que se tenía por entonces para éste. Sin embargo, pronto se vio que estas soluciones no eran estables, sino que a cualquier perturbación, dicho Universo dejaría de ser estático.
Esto dejaba entrever que probablemente nuestro Universo no fuera estático, sino que variaba con el tiempo. Hecho que se vio confirmado con las observaciones de Hubble en las que encontró que todas las galaxias (a grandes distancias) se alejaban unas de otras, con una velocidad proporcional a su distancia. Lo cual implicaba que nuestro Universo estaba en expansión.

Reconstrucción

Dado que el Universo está en expansión, si invertimos el paso del tiempo… obtendríamos que todo debió surgir de un mismo punto.
Con esta hipótesis, se ha podido reconstruir que la edad del Universo es de en torno a 13700 millones de años, y que en esta época, tenía un tamaño muy pequeño y se encontraba a una temperatura y presión inmensas.

Desde el punto de vista teórico, se ha podido describir con bastante acierto los procesos que ocurrieron desde 10^-43 segundos “después” del Big Bang, hasta hoy, aunque todo lo que pudo pasar anterior a ese tiempo no se puede conocer con las teorías actuales, por lo que realmente no podemos aventurarnos a certificar si hubo una explosión, un rebote, o qué fue lo que pasó realmente.

Sin embargo, varios teóricos comenzaron a preguntarse que si esa época tan caliente ocurrió, debería haber dejado un rastro que debería poder observarse actualmente.
Ya que todo cuerpo a una temperatura dada emite radiación, el Universo en esta etapa debió de emitir una gran radiación que, actualmente, debido a la expansión que ha sufrido, deberíamos verla mucho más débil, concretamente igual a la radiación que emitiría un cuerpo con una temperatura de unos 3 K (unos -270ºC), lo cual correspondería a una radiación de microondas. Y dado que el Universo es prácticamente uniforme a grandes escalas, debería ser idéntica mirásemos donde mirásemos.

Descubrimiento

Por su parte, en 1965 dos ingenieros de la empresa Bell de telecomunicaciones (Penzias y Wilson), acababan de construir una gran antena de radio, con el fin de mejorar las comunicaciones.

Sin embargo, pronto se encontraron un gran problema: apuntasen donde apuntasen la antena, siempre encontraban un ruido de fondo.
Después de muchas comprobaciones, terminaron por deducir que aquel ruido tenía que provenir del espacio.

El circulo finalmente se cerró cuando un conocido común, conectó a los dos ingenieros con el grupo de investigación que había predicho tal radiación.

Tanto Wilson como Penzias acababan de descubrir la radiación de fondo cósmico (llamada así porque es uno de los rastros más antiguos que podemos observar del Universo) y que se localizaba en la zona de microondas, correspondiente a un cuerpo negro (cuerpo ideal que absorve toda la radiación que le llega) a una temperatura de 2.7 K y uniforme en cualquier dirección (los dos ganaron el Nobel en 1978, aunque el equipo teórico que la había predicho no recibió nada).

Medidas posteriores

Después de su descubrimiento se pudo confirmar esta época temprana del Universo en que este estaba muy caliente.
Pero para obtener un mejor estudio de dicho fondo, se han lanzado dos satélites al espacio, el COBE primero y después de WMAP, los cuales han podido estudiarlo con una gran precisión, mostrando que realmente no es totalmente uniforme, sino que tiene unas muy pequeñas fluctuaciones (del orden de una millonésima de la radiación media), las cuales muestran que el Universo en esa época no era totalmente uniforme, sino que ya habría ciertas agrupaciones entre la materia.

Gran inflación cósmica

Estas medidas del fondo dieron lugar también a la confirmación de que el Universo pasó inicialmente por una época en la que experimentó una expansión enorme durante un breve periodo de tiempo, lo cual hizo que todas las rugosidades que tenía, se uniformizaran de tal forma que ahora mismo observamos una gran homogeneidad en el Universo (por ejemplo, en la imagen del fondo cósmico, recordemos que solo se notan desviaciones en una millonésima parte).

PD: En la primera imagen se observa el mapa que ha obtenido el satélite WMAP, mostrando las pequeñas rugosidades que existe en dicho fondo.