¿Cómo puede el fondo cósmico de microondas ser la radiación sobrante del Big Bang?
¿Cómo puede soportar tal radiación sobrante durante el largo período de tiempo de 13.8 mil millones de años? ¿No se disiparía la radiación del Big Bang durante ese tiempo?
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, esta es una forma en la que el CMB se ha “disipado”, que es sobre lo que se ha preguntado la información detallada.
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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]) 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. Para obtener más información sobre estas medidas CMB muy precisas, lea: 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, por lo que estamos buscando millones de años al revés en el tiempo. Usando este razonamiento, ¿qué es lo más lejos que podríamos mirar hacia atrás en el tiempo?
