Si tenemos un fondo cósmico de microondas, ¿no deberíamos tener también un fondo cósmico de ondas de radio?

Question

Soy un lego en física, pero esto es lo que entiendo:

• Lo que vemos en el cielo a simple vista es un mapa de ondas electromagnéticas en la frecuencia visible para la visión humana.
• Pero ese tipo de observación es demasiado limitada porque, a medida que el universo se expande, la luz que nos llega se desplaza hacia el espectro invisible. Así que empezamos a observar el universo en frecuencias cada vez más bajas.
• El telescopio James Web, por ejemplo, puede ver distancias más lejanas porque tiene sensores de luz infrarroja.
• Si llevamos esta idea al extremo y detectamos las ondas del espectro de microondas, cartografiando todo el cielo con este método, obtenemos el CMB.
• Al ver objetos más lejanos, también vemos estos objetos en el pasado, teniendo en cuenta el tiempo que la luz tardó en llegar a nosotros (y la expansión del universo).
• Según el modelo que tenemos hoy, el CMB sería lo más lejano que podríamos observar, porque después de eso, el universo era opaco.

Así que lo que estoy tratando de preguntar es:

¿Alguien ha intentado escuchar más allá de las microondas y crear un mapa de las ondas de radio de fondo?

Sé que muchos objetos pueden emitir ondas de radio. Así que probablemente detectaríamos estos objetos y también la interferencia de las ondas de radio producidas por el hombre desde la tierra. Si no hay ondas de radio de fondo, la imagen sería probablemente de un solo color con las interferencias que he citado anteriormente.

¿Pero cómo podemos saber que no encontraríamos nada si intentamos detectar ondas cada vez más largas? ¿Cómo sería el mapa de ondas de radio en el cielo?

Answer 1

Sí, hay un fondo cósmico de radio, al igual que hay un fondo cósmico óptico, infrarrojo, de rayos X, etc. El fondo de los AGN y demás que menciona @nielsnielsen no aparece hasta unos 300 MHz, más o menos, así que definitivamente hay una buena parte de las longitudes de onda de radio en las que el fondo está dominado por la señal de cuerpo negro de la recombinación.

Véanse, especialmente, las figuras 1 y 8 de la revisión de Hill et al (2018) publicado en Applied Spectroscopy (también de arXiv ).

El problema con el que te vas a encontrar cuando intentes mirar a longitudes de onda más largas de luz para ver más atrás en el tiempo es que la señal del CMB es de cuando el universo cambió de fase de un plasma a ser neutral en un proceso que llamamos "recombinación". La temperatura del universo era entonces de unos 4.000 Kelvon, más o menos como una estrella enana roja. Los plasmas tienen una interesante propiedad llamada frecuencia de plasma. Básicamente, los plasmas son opacos a cualquier luz con una frecuencia inferior a ésta. Para frecuencias más altas hay que fijarse en algo llamado el camino libre medio del fotón.

Tengo entendido que, a todos los efectos, el universo era opaco antes de la recombinación. Por lo tanto, es muy poco probable que la luz de antes pudiera viajar en línea recta durante el tiempo suficiente para darnos información sobre su procedencia antes de rebotar en el plasma universal.

Por eso, en parte, hay interés en encontrar una señal de neutrinos u ondas gravitacionales, ya que podrían viajar por el plasma sin problemas.

Y, sí, tenemos mapas del cielo en longitudes de onda de radio. No sé si son lo suficientemente sensibles para buscar estructuras en el CRB (fondo cósmico de radio). Uno de los problemas es que la mayoría de las observaciones de radio se realizan con interferómetros, y éstos reconstruyen sus imágenes de forma que eliminan las señales a gran escala. Lo mejor es realizar estudios de radio de una sola antena, como se podría hacer con Arecibo, y se puede hacer con FAST. Véanse, por ejemplo, los mapas creados por GALFA . Su interés era el HI local (hidrógeno atómico neutro), no el CRB, así que no sé si sus datos son lo suficientemente sensibles como para detectar cualquier señal cósmica.

Answer 2

Las energías altas implican longitudes de onda cortas y las longitudes de onda largas implican energías bajas. La longitud de onda original de la liberación de energía de la captura de electrones durante la recombinación es más o menos la energía media de ionización para el mismo átomo (H o He) que tiene un corte de baja frecuencia por debajo de la energía de ionización. Este argumento sugiere que en el momento de la recombinación no había mucha radiación de mayor longitud de onda que pudiera desplazarse posteriormente a frecuencias de radio inferiores a las de las microondas.

Esto se puede ver en la forma del espectro del CMB, que es un espectro de cuerpo negro casi perfecto que tiene cortes por encima y por debajo del pico a 2,7 grados K.

Hay un baño de ondas de radio en el espacio a frecuencias más bajas, pero representa el piso de ruido creado por la radiación de RF de cosas como los núcleos galácticos activos y no del CMB.

Answer 3

En el futuro podremos utilizar longitudes de onda más largas para mirar más lejos en el universo primitivo, pero no más atrás en el tiempo.

El problema de utilizar longitudes de onda más largas para mirar más atrás en el tiempo que el CMB es que el universo era opaco en ese momento. Durante los primeros 370.000 años, el universo era opaco. Los fotones no viajaban mucho antes de ser absorbidos. Alrededor de los 370.000 años, todo el universo se enfrió lo suficiente como para volverse transparente. El universo habría estado inundado de fotones que colisionaban con el plasma y se reemitían a esa temperatura. A medida que se acercaba la marca de 370.000 años, la distancia media entre la absorción y la reemisión era del orden de 100 años luz. Rápidamente, esta distancia pasó a ser del tamaño del universo observable, haciendo que el universo fuera transparente. El problema de ver más atrás en el tiempo es que algo emitido en la marca de 369.900 años probablemente habría sido absorbido en 100 años.

La expansión del universo ha hecho que esas longitudes de onda aumenten, de modo que la radiación alcanza ahora su punto máximo en torno a los 900 micrómetros, y estamos viendo más allá del universo primitivo. Dentro de otros 13.000 millones de años, si todo va como creemos, la radiación cósmica de fondo de la marca de 370.000 años se habrá desplazado aún más hacia las longitudes de onda de radio y veremos más lejos, pero sólo hasta el mismo tiempo.

Imagina una línea recta que apunta desde la Tierra (A) hacia el universo hasta otros puntos del universo primitivo que existieron 370.000 años después del big bang junto con la luz creada por ese punto en la marca de 370.000 años como una letra minúscula (es decir, b). Aquí vemos que la luz está en el punto donde fue emitida. Cualquier luz emitida antes desde el punto B habría sido absorbida y reemitida (dispersada) antes de llegar a A.

abcdefg
ABCDEFG

Imagina una niebla densa en la que sólo puedes ver unos metros delante de tu cara. la luz 'g' en G sería absorbida antes que F y reemitida, por lo que no hay forma de ver más allá en el pasado que este momento. Cuando el universo cayó por debajo de los 3000K, el universo se volvió rápidamente transparente y el CMB que vemos hoy es de esa época.

A medida que el universo se expandía, podíamos ver cada vez más lejos en el universo, pero sólo hasta el momento en que se produjo la recombinación. Imaginemos que ha pasado el tiempo suficiente como para que veamos la luz desde C cuando se produjo la recombinación y el universo se ha ido expandiendo. Los fotones de C-G han estado haciendo su camino hacia A. Ahora podemos ver lo que ha estado sucediendo en B desde la última dispersión y podemos ver la luz de C en la última dispersión. También vemos que B se aleja de nosotros. Sin embargo, la luz de F y G en la última dispersión está en realidad más lejos de nosotros de lo que estaba en ese momento porque el universo se está expandiendo demasiado rápido. Nunca podremos ver esa luz.

ABCDEFG         (original distance)
c-d-e-f-g       (light from last scattering)
A-B-C-D-E-F-G   (current distance)

Si continuamos en el futuro:

ABCDEFG               (original distance)
d--e--f--g            (light from last scattering)
A--B--C--D--E--F--G   (current distance)

Observe que la luz "f" no se acerca a nosotros. Este es el horizonte cósmico. Suponiendo que este es el momento actual, la luz "d" ha estado viajando hacia nosotros durante 13.800 millones de años y se ha desplazado al rojo desde el infrarrojo hasta las microondas. Con el tiempo, podremos ver la luz "e" cuando se haya desplazado más hacia las ondas de radio. Sin embargo, esto no es ver más allá en el pasado, la luz "e" fue emitida 400.000 años después del Big Bang, al mismo tiempo que "d", sólo que en un lugar diferente.