¿Por qué los científicos creen que las imágenes de la radiación de fondo cósmico de microondas reflejan con precisión el estado del universo poco después del Big Bang?

Primero permítanme respaldar una parte de la respuesta de Victor Toth: se supone que los científicos no deben creer en las cosas. Las creencias son asunto de religiones, ocultistas, pacientes de medicina alternativa, jugadores adictos, sistemas de aplicación de la ley occidentales, etc.

Los científicos proponen hipótesis y luego hacen su mejor esfuerzo (como sistema) para refutarlas, atacándolas mediante pruebas experimentales y de observación y buscando contradicciones con las teorías prevalecientes. No le haces eso a algo en lo que crees. Ahora, si todos esos ataques repetidos, durante décadas, no refutan una hipótesis, se convierte en una teoría aceptada. ¿Entonces la ciencia cree en la teoría? ¡Mejor no! Esté atento a una inminente revolución. El escepticismo es la actitud científica más saludable.

Al punto, si miras una galaxia a un millón de años luz de distancia, la ves como era hace un millón de años, con su luz desplazada al rojo por un factor consistente con esa distancia y tiempo. Si miras un objeto a mil millones de años luz de distancia, lo ves como era hace mil millones de años, con su luz desplazada al rojo por un factor consistente con el retraso de mil millones de años. Y si observa un punto en una sopa de materia, el punto está a 13.8 mil millones de años luz de distancia, lo verá como era hace 13.8 años, con su luz desplazada al rojo en la banda espectral de microondas. (Tenga en cuenta que, dado que somos mortales, estamos restringidos a ver objetos astronómicos lejanos solo como eran en un momento coherente con su distancia).

Pero eso no es todo, y ciertamente no es suficiente. Si esas microondas provienen de la materia tal como estaba justo después del Big Bang, debería verse en cualquier dirección que miremos, y lo hace. Y debería verse igual en cualquier dirección que miremos, y lo hace, aparte de las fluctuaciones de temperatura 1 / 100,000 teóricamente justificadas. Y la distribución espectral de las microondas debe ser consistente con la radiación del ‘cuerpo negro’, y lo hace de manera sorprendentemente precisa. Y las ondas sonoras que viajan a través de esa sopa teóricamente deberían dejar “huellas digitales” muy distintas y predecibles en ella que deberíamos poder descubrir mediante análisis, y lo hacemos.

Y, por supuesto, los datos de observación completos disponibles sobre el CMB son consistentes con un modelo teórico (Lambda-CDM) basado en la teoría general de la relatividad bien fundamentada de Einstein, pero con suposiciones menos fundamentadas sobre la materia oscura y la energía oscura.

Debo decir que estoy eufórico! ¿Pero es todo eso “lo suficientemente bueno para mí” como para “creer” en ese modelo? Desde un punto de vista científico acérrimo, lo mejor que podría desear para la cosmología es que surja algo que derribaría esa teoría hermosa pero imperfecta.

El fondo cósmico de microondas es la radiación que se soltó cuando el universo tenía 380,000 años. Esto fue cuando el universo entró en la fase de materia dominante de la era de radiación dominante.

Antes de esa edad, el Universo era básicamente una sopa caliente de plasma a través de la cual la luz no puede viajar. Por lo tanto, esta es la radiación más antigua que tenemos de nuestro universo.

La menor polarización residual en el CMB se debe al efecto de las ondas gravitacionales en el período inflacionario justo después del Big Bang.

Entonces, CMB es básicamente la clave para estudiar el universo cuando era joven.

No es una cuestión de creencia, sino de comprensión. El fondo cósmico de microondas nos proporciona una gran cantidad de información sobre el universo primitivo cuando tenía menos de 400,000 años de antigüedad, y mil millones de veces más pequeño en volumen. El modelo cosmológico canónico estándar también es compatible con muchos otros experimentos de cosmología.

Lo que es más incierto es lo que sucedió en el primer nanosegundo. En particular, probablemente hubo una fase de inflación muy temprana, pero la naturaleza exacta de esta inflación requiere observaciones y desarrollos teóricos más precisos. Tenemos ideas generales, pero no los detalles, sobre cómo la materia ganó a la antimateria. Y sabemos muy poco acerca de la materia oscura y la energía oscura.

El CMB aparece como fotones de energía relativamente baja en la banda de microondas. Cierta cantidad de interferencia en las estaciones de radio que escuchas proviene de ella. De hecho, fue descubierto por ingenieros que intentaban deshacerse de todo el ruido de la electrónica en algunos de sus instrumentos y eventualmente se dieron cuenta de que parte del ruido provenía de los confines más lejanos del universo, esencialmente en todas las direcciones.

Entonces, estudiamos variaciones menores en la energía (y ahora la polarización) de ese ruido de fondo para ver qué nos dice sobre ciertos elementos estructurales del universo primitivo.

El CMB en sí proviene del momento en que la densidad de nuestra burbuja de espacio-tiempo en expansión se redujo lo suficiente como para permitir que los fotones eviten encontrarse inmediatamente con otras partículas en el plasma que dominaron el universo antes de ese punto, lo que sucedió algo más de 300,000 años después de la inflación inicial Llamamos el Big Bang.

Se cree que las fluctuaciones en el CMB reflejan variaciones tempranas de densidad que eventualmente conducen a una estructura a gran escala de super cúmulos y huecos, así como a galaxias y luego estrellas.

Un trabajo reciente está investigando si la polarización en el CMB se puede detectar y utilizar como evidencia de ondas de gravedad que atraviesan el universo primitivo.

Dado que el CMB es esencialmente una luz de fondo omnidireccional detrás de todo lo que vemos, también podemos usarlo para medir las densidades promedio de ciertas circunscripciones del universo.