En su libro Gravitación y Cosmología , Steven Weinberg dice que el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) hace "difícil dudar de que el universo haya evolucionado a partir de una etapa temprana más caliente y densa".
A mi entender, el CMB es sólo una peculiar radiación isotrópica que representa un cuerpo negro a ~ 2,7K.
¿Cómo y por qué el CMB apunta a que el Universo primitivo era más caliente y denso?
Más allá del hecho de que el fondo cósmico de microondas (CMB) es una predicción directa del modelo del big bang, está la cuestión de cómo se produciría de otra manera. Es notablemente cerca de ser isotrópico y notablemente casi un espectro de cuerpo negro, es decir, es un campo de radiación de cuerpo negro casi perfecto.
Un campo de radiación de cuerpo negro es emitido por un material en completo equilibrio termodinámico (CTE). Un ejemplo sería el interior de una estrella. Un requisito para el (CTE) es que la materia y el campo de radiación se caractericen por la misma temperatura y que el material sea "ópticamente grueso", es decir, que sea opaco a esa radiación en básicamente todas las longitudes de onda.
Dado que el universo está formado principalmente por hidrógeno, helio y (actualmente) trazas de elementos más pesados, podemos preguntarnos cómo es posible producir un campo de radiación de cuerpo negro perfecto. El hidrógeno y el helio fríos son transparente a las microondas. Para hacerlos opacos es necesario ionizarlos, de modo que los electrones libres puedan ser una fuente de opacidad en todas las longitudes de onda a través de la dispersión Thomson. Pero esto requiere temperaturas mucho más elevadas, de unos 3000 K.
¿Cómo se eleva uniformemente la temperatura de un gas (adiabáticamente)? Exprimiéndolo. Un universo más pequeño y denso estaría lo suficientemente caliente como para tener hidrógeno ionizado y sería opaco a la radiación en su interior. Al expandirse y enfriarse, los electrones se combinaron con los protones para formar átomos y el universo se volvió transparente, pero lleno de un espectro de radiación de cuerpo negro perfecto. La luz, originalmente a una temperatura de 3000 K y principalmente en el visible y el infrarrojo, ha tenido sus longitudes de onda estiradas por un factor de 1100 por la expansión del universo, lo que significa que ahora la vemos principalmente como microondas.
Otra prueba de este modelo es que el campo de radiación no es absolutamente isotrópico. Estas pequeñas ondulaciones codifican información como la tasa de expansión del universo en el momento de la (re)combinación y la densidad de la materia. Cuando se infieren a partir de mediciones, estos parámetros concuerdan muy estrechamente con otras determinaciones que son independientes del CMB, como la relación de distancia del corrimiento al rojo de Hubble y las estimaciones de la abundancia primordial de Deuterio y Helio.
Ahora hay pruebas directas de que el CMB era más caliente en el pasado y exactamente en la cantidad predicha por una expansión adiabática. La fuente de estas pruebas son las mediciones de la independencia de la frecuencia del Efecto Sunyaev-Zel'dovich hacia los cúmulos de galaxias (por ejemplo Luzzi et al. 2009 ); o, más precisamente, sondeando las condiciones de excitación en las nubes de gas a alto corrimiento al rojo utilizando cuásares aún más distantes como sondas (p. ej. Srianand et al. 2008 . Nuevos resultados han sido publicados por Li et al. (2021) . Describen las mediciones del efecto Sunyaev-Zel'dovich a cientos de cúmulos de galaxias en el rango de corrimiento al rojo $0.07<z<1.4$ y mostrar que, la temperatura del CMB va como $T_0(1 + z)^{0.983^{+0.032}_{-0.029}}$ , consistente con una expansión adiabática al 3%.
El Big Bang modelo de una expansión Universo Friedmann con una era temprana caliente y densa que se enfriaba y adelgazaba a medida que el universo se expandía, predijo la existencia, la isotropía y la temperatura aproximada del fondo cósmico de microondas . Así que el descubrimiento de este CMB se considera una fuerte evidencia confirmatoria de ese modelo notablemente simple y elegante. Véase esta lista de las predicciones de la temperatura del CMB.
Este documento revisa las explicaciones alternativas del CMB, y por qué no se consideran tan persuasivas como el modelo del Big Bang.
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