¿Eventualmente desaparecerá la radiación cósmica de fondo de microondas? La Ciencia y la Tecnología mejoran el futuro

¿Eventualmente desaparecerá la radiación cósmica de fondo de microondas?

Sobre el CMB ahora:

La radiación de fondo cósmico de microondas (CMB) es la radiación que se emitió cuando el universo tenía aproximadamente [matemáticas] 380,000 [/ matemáticas] años. En el momento en que se emitió, la radiación era radiación de cuerpo negro a una temperatura de aproximadamente [matemáticas] 3000 \ K [/ matemáticas]. Hoy esa misma radiación tiene una temperatura corporal negra de aproximadamente [matemáticas] 2.725 \ K [/ matemáticas]. La relación de esas dos temperaturas es de aproximadamente [matemática] 1100 [/ matemática] y este es, de hecho, el factor por el cual el tamaño lineal del universo se ha expandido entre [matemática] 380,000 [/ matemática] años después del big bang para ahora ([matemáticas] 13.8 \ billones [/ matemáticas] años después del Big Bang). Entonces, dado que esta expansión continuará en el futuro, la temperatura del CMB continuará disminuyendo, acercándose asintóticamente al cero absoluto, pero nunca llegando a [matemática] 0 \ K [/ matemática]. Entonces, llamemos a esta disminución de la temperatura una forma de “disipación” del CMB.

Con una expansión lineal de 1100, la expansión de volumen del universo sería [matemática] 1100 ^ 3 = 1.3 \ veces10 ^ 9 = 1.3 \ mil millones [/ matemática], que es otro sentido en el que la radiación se ha disipado: la misma radiación es ¡ahora dando vueltas en una esfera que tiene [matemáticas] 1.3 \ billones [/ matemáticas] veces más volumen!

Sin embargo, la densidad de energía de la radiación CMB en realidad ha disminuido en otro factor de [matemáticas] 1100 [/ matemáticas]. Esto se debe al hecho de que la energía de cada fotón ha disminuido en un factor de [matemática] 1100 [/ matemática] ya que la longitud de onda de la radiación ha aumentado en un factor de [matemática] 1100 [/ matemática] debido a la linealidad Expansión del espacio. (Recuerde que la energía de un fotón es:

[matemáticas] E = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda} [/ matemáticas]

donde [math] \ nu [/ math] es la frecuencia y [math] \ lambda [/ math] es la longitud de onda de la radiación.

Por lo tanto, la “disipación” general de la radiación CMB desde el momento en que se emitió hasta ahora es [matemática] 1100 ^ 4 = 1.5 \ veces10 ^ {12} = 1.5 \ billones [/ matemática]. ¡Así que la radiación se ha disipado bastante desde el Big Bang!

Otra forma de llegar a esta misma cifra [matemática] 1.5 \ billones [/ matemática] es observar la luminosidad (densidad de energía) de la radiación de un radiador de cuerpo negro. Resulta que la luminosidad es proporcional a la temperatura de la cuarta potencia ([matemática] T ^ 4 [/ matemática]). Entonces, la relación de densidad de radiación entre el momento en que se emitió el CMB ahora es:

[matemáticas] (\ frac {3000 \ K} {2.725 \ K}) ^ 4 = 1100 ^ 4 = 1.5 \ billones [/ matemáticas]

Entonces, ¿por qué todavía podemos medir esta radiación hoy? Bueno, resulta que hay alrededor de mil millones ([matemáticas] 10 ^ 9 [/ matemáticas]) veces más fotones CMB en el universo que protones y neutrones en el universo. Entonces, en el momento en que se emitió el CMB, toda la energía en la radiación de CMB era aproximadamente [matemática] 37 \% [/ matemática] de la energía de la masa de todos los protones en el universo. ¡Eso es MUCHA energía ! Hoy, la energía de todos los fotones CMB es solo [matemática] 37 \% / 1100 = 0.03 \% [/ matemática] que todavía es mucha energía. Por ejemplo, cuando un núcleo de uranio se somete a fisión durante una explosión de bomba nuclear, solo aproximadamente [matemáticas] 0.09 \% [/ matemáticas] de la masa original del átomo de uranio se convierte en energía. Entonces, la energía CMB en el universo de hoy tiene aproximadamente la misma cantidad de energía que se esperaría que se liberara si [matemáticas] 1/3 [/ matemáticas] de la masa del universo fuera un arma nuclear de uranio que explotó (suponiendo que cada uranio núcleo fisionado)!

Otra cosa que facilita la detección del CMB es que la radiación se limita a una banda bastante estrecha de frecuencias de microondas. Se midió por primera vez (accidentalmente) en 1964 con un receptor de microondas en la superficie de la Tierra. En los últimos 15 años, las mediciones más completas, precisas y de grano fino del CMB son realizadas por receptores de microondas satelitales sensibles.

Cómo cambiará el CMB en el futuro:

El universo continuará expandiéndose y, de hecho, estamos entrando en una era en la que el universo acelerará la tasa de expansión. Para ser específicos, el universo se duplicará en tamaño cada [matemáticas] 8 \ billones [/ matemáticas] años (más o menos) de ahora en adelante. Esto significa que el factor [matemática] z [/ matemática] de [matemática] 1100 [/ matemática] mencionado anteriormente se duplicará cada [matemática] 8 \ billones [/ matemática] años. La razón por la que esto está sucediendo ahora es porque la densidad de energía de la energía oscura es ahora [matemática] 72 \% [/ matemática] de la densidad de energía total del universo (y continuará aumentando – acercándose asintóticamente [matemática] 100 \% [ / matemáticas]) – y es la energía oscura la que está causando el crecimiento exponencial del universo.

Ahora una duplicación de [math] z [/ math] significará que la energía de cada fotón disminuirá en un factor de [math] 2 [/ math] y la densidad de energía del CMB disminuirá en un factor de [math] 8 [/ matemáticas] cada [matemáticas] 8 \ billones [/ matemáticas] años! Entonces, averigüemos cuándo la longitud de onda de los fotones CMB comenzará a exceder [matemática] 1 \ año luz [/ matemática]. Esto es significativo porque necesita una antena que tenga aproximadamente el tamaño de la longitud de onda (o mayor) para detectar la energía de un solo fotón de radiación. Efectivamente, la radiación CMB será indetectable si su longitud de onda es [matemática] 1 \ año luz [/ matemática]. En este momento, la longitud de onda de la radiación CMB es aproximadamente [matemática] 1 \ mm [/ matemática]. Entonces, en “solo” aproximadamente [matemáticas] 500 \ billones [/ matemáticas] años, el CMB tendrá una longitud de onda de 1 año luz y será esencialmente indetectable (ver Motor de conocimiento computacional).

Entonces, aunque el CMB nunca desaparecerá desde un punto de vista teórico, desde un punto de vista práctico, el CMB será completamente indetectable [matemáticas] 500 \ billones [/ matemáticas] años a partir de ahora. Esto significa que un astrónomo en ese universo [matemáticas] 500 \ billones [/ matemáticas] años a partir de ahora no podrá aprender casi tanto sobre el Big Bang como hemos aprendido. Es la información que hemos aprendido del CMB lo que ha convertido la cosmología en una ciencia de precisión. Hace cuarenta años, solo conocíamos la edad del universo dentro de un factor de dos, ahora sabemos la edad del universo con una precisión de una fracción de un porcentaje, en gran parte debido a las medidas muy precisas del CMB.

Para obtener más información sobre cómo el CMB nos permitió conocer el universo primitivo, vea: la respuesta de Frank Heile a Si miramos una estrella a millones de años luz de distancia, lo que hemos hecho, la luz tarda millones de años en llegar a nosotros , así que estamos mirando hacia atrás millones de años en el tiempo. Usando este razonamiento, ¿qué es lo más lejos que podríamos mirar hacia atrás en el tiempo?

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