¿Por qué podemos ver el fondo cósmico de microondas (CMB)?

Question

Tengo entendido que nunca podremos ver mucho más allá de las galaxias más lejanas que hemos observado. Esto se debe a que, antes de que se formaran las primeras galaxias, el universo era opaco: era una sopa de partículas subatómicas que dispersaban toda la luz. Pero antes de que el universo fuera opaco, el Big Bang que es donde el fondo cósmico de microondas (CMB).

Si el opaco universo primitivo dispersó toda la luz, y las primeras galaxias están tan atrás como podemos ver, ¿por qué es observable el CMB? ¿De dónde procede?

Answer 1

El fondo cósmico de microondas no no se originan con el propio Big Bang. Se origina aproximadamente 380.000 años después del big bang, cuando la temperatura descendió lo suficiente como para permitir que los electrones y protones formaran átomos. Cuando se liberó, el fondo cósmico de microondas no era en absoluto microondas: los fotones tenían energías más altas. Desde entonces, se han desplazado al rojo debido a la expansión del universo, y actualmente se encuentran en la banda de microondas.

El universo es opaco desde hace 380.000 años y antes. Las galaxias que podemos ver sólo se formaron después de esa época. Antes de eso, todo lo que es observable es el CMB.

Answer 2

El CMB que vemos es el estado del universo cuando se hizo transparente, 380000 años después del Big Bang. Nuestras líneas de visión lejos de nosotros no pueden ver más allá de esto. Piensa en el Sol, que es una gran bola de gas, pero que parece tener una superficie porque ahí es donde el gas acumulado a lo largo de la línea de visión hacia el centro se ha vuelto opaco.

El universo se volvió transparente después de 380000 años porque el enfriamiento causado por su expansión permitió que el gas ionizado se recombinara en hidrógeno y helio neutros, que son transparentes a la luz visible. En ese momento, la gravedad pudo empezar a actuar sobre las ligeras variaciones de densidad haciendo que las partes más densas se volvieran lentamente más y más densas hasta que las reacciones nucleares empezaran en el núcleo más denso, marcando el comienzo de la formación de estrellas. Sin embargo, como el universo aún estaba caliente y las variaciones de densidad iniciales eran muy leves, las primeras estrellas tardaron millones de años en formarse.

Mientras se encontraba en estado neutro, el universo era transparente a la luz visible, pero opaco en el ultravioleta lejano debido a la absorción de los electrones que rodeaban a los átomos neutros de hidrógeno. Cuando intentamos ver hacia atrás a esta época con el Hubble y otros telescopios ópticos, el elevadísimo desplazamiento al rojo ha desplazado el ultravioleta lejano a través del espectro visible y hacia el infrarrojo, haciendo que la mayor parte del periodo neutro sea invisible para nosotros. El telescopio espacial James Webb (JWST), tendrá detectores que trabajen lo suficientemente lejos en el infrarrojo como para que podamos ver lo que ocurre durante el periodo neutro. Después de cientos de millones de años, la luz ultravioleta de las estrellas calientes reionizó el universo haciéndolo de nuevo transparente al ultravioleta (y ahora también transparente en el visible debido a la baja densidad tras cientos de millones de años de expansión).

La idea de que vemos los momentos reales del Big Bang cuando miramos el CMB surge porque las variaciones de densidad no pudieron cambiar durante los primeros 380000 años, por lo que las que vemos en el CMB estaban ahí desde los primeros instantes del Big Bang y representan fluctuaciones mecánico-cuánticas presentes desde el principio.

Answer 3

Querido Carson: Para entender por qué vemos hoy la radiación CMB, después de 13.700 millones de años después del BB no necesitamos conocer la RG en absoluto. Utilicemos una historia para ilustrar simplemente el problema, y obtener la solución. Supongamos que te despiertas en medio de tu calle y te encuentras rodeado de una terrible niebla pesada y densa, con un brillo amarillo por todas partes. Tan pesada que no puedes ver el suelo. Incluso tus manos son invisibles. Decimos que esta niebla es "opaca", y tiene un brillo. Esta niebla especial (de esta historia) se extiende hasta el infinito. De repente, como una orden divina, la pesada niebla se vuelve transparente. Cada punto del espacio donde está la niebla, se vuelve transparente. ¿Qué vas a ver? ¿Vas a ver la transparencia por todas partes a la vez? DE NINGUNA MANERA. Normalmente, puedes ver tu entorno gracias a la luz. Pero la luz tarda en llegar a tus ojos. Así que, a pesar de que todos los puntos se vuelven transparentes a la vez, ¡no verás eso! Primero te verás a ti mismo, luego la calle y las casas del barrio respaldadas por el brillo de la niebla en rápida retirada. Un segundo y medio después verás la luna, pero todo el cielo brillará con un resplandor amarillo. En ocho minutos más se podrá ver el sol. Y en 4,3 años la estrella más cercana (Alpha Centaurii). Pero el resplandor amarillo permanecerá allí todo el tiempo. Para siempre. Estás en el centro de una esfera hueca cuyo radio crece a la velocidad de la luz. Lo que ves es lo que se llama "la superficie de la última dispersión" La expansión cosmológica del espacio fue la causa de la reducción y el desplazamiento al rojo del "resplandor amarillo" original. En realidad la niebla original era gas incandescente, igual que el interior del sol.
¡Espero que esto pueda ayudar a entender por qué podemos ver aún la primera luz del universo!