Núcleos y átomoscómo empezó el fondo cósmico de microondas

El fondo cósmico de microondas es el resplandor del Big Bang. Se formó unos 380 000 años después del Big Bang, cuando los núcleos capturaron electrones, el universo se volvió transparente y la primera luz empezó su viaje hacia el futuro. Esa luz todavía se puede medir hoy. Antes, a los 3 minutos, cerca del 25 % de la masa se había convertido en helio, y la receta de los elementos más ligeros quedó fijada a los 20 minutos.

Esta era va de los 3 minutos a los 150 millones de años y tiene tres partes: la nucleosíntesis, que fabrica los elementos más ligeros; la recombinación y la transparencia, cuando la luz viaja libre por primera vez; y por último las largas edades oscuras, cuando el universo no tenía estrellas y solo hidrógeno neutro que se enfriaba.

Seis eventos

• 3 min · Nucleosíntesis primordial: Cerca del 25 % de la masa se convierte en helio.
• 20 min · Formación de litio-7: Queda fijada la receta de los elementos más ligeros. Los elementos nuevos tendrán que esperar a las estrellas.
• 47 000 años · Dominio de la materia: La densidad de la materia supera a la de la radiación, y la materia pesa más que la luz y la radiación.
• 380 000 años · Recombinación: Los núcleos capturan electrones.
• 380 000 años · Fondo cósmico de microondas: El universo se vuelve transparente y la primera luz parte hacia el futuro, como una niebla espesa que se levanta de golpe.
• 380 000 años – 150 millones de años · Edades oscuras: Sin estrellas, solo hidrógeno neutro que se enfría.

La receta de los elementos ligeros

Ralph Alpher y George Gamow calcularon cómo se formaron los elementos ligeros en el Big Bang, y se añadió el nombre de Hans Bethe para hacer la broma «αβγ». El artículo se titula «The origin of chemical elements» (Alpher, Bethe y Gamow, Physical Review, 1948). Sobre la cronología de arriba, el helio ya era abundante a los 3 minutos y el litio-7 apareció a los 20 minutos, lo que fijó la receta de los elementos más ligeros.

El resplandor, descubierto por casualidad por dos personas

Dos investigadores de Bell Labs no lograban eliminar el ruido de su antena. Al final comprendieron que era el resplandor del Big Bang, y ganaron el Nobel de 1978. Su artículo tiene un título discreto, «A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s» (Penzias y Wilson, The Astrophysical Journal, 1965). Por casualidad, un equipo de Princeton se preparaba para buscar justo esta radiación y sus vecinos se le adelantaron. Redactaron la explicación teórica, titulada «Cosmic black-body radiation» (Dicke, Peebles, Roll y Wilkinson, The Astrophysical Journal, 1965).

Medir el resplandor con más precisión

El espectro medido por COBE coincidió casi a la perfección con la curva teórica del cuerpo negro, lo que dio un apoyo decisivo a la teoría del Big Bang. El artículo es «A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite» (Mather et al., The Astrophysical Journal Letters, 1990). Dos años después, datos del mismo satélite mostraron variaciones de temperatura de una parte entre 100 000 en la radiación de fondo. Esas diferencias minúsculas fueron las semillas de las galaxias posteriores. El artículo se titula «Structure in the COBE Differential Microwave Radiometer first-year maps» (Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters, 1992). Las ondas sonoras del universo temprano también dejaron una escala característica de unos 500 millones de años luz en la distribución de las galaxias, que se convirtió en una regla para medir el universo. El artículo es «Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies» (Eisenstein et al., The Astrophysical Journal, 2005). Por último, el satélite Planck midió las ondulaciones finas del resplandor: la materia ordinaria es cerca del 5 % de la energía total del universo, la materia oscura cerca del 27 % y el resto es energía oscura (Colaboración Planck, Astronomy & Astrophysics, 2020).

Cómo «ver» las edades oscuras

Sin estrellas no hay luz con la que ver, así que los investigadores se apoyan en el hidrógeno. Los humanos detectaron por primera vez la emisión de radio de 21 cm del hidrógeno neutro, lo que permitió «ver» gas de la Vía Láctea que de otro modo es invisible. El título del artículo es simplemente «Observation of a line in the galactic radio spectrum» (Ewen y Purcell, Nature, 1951). El experimento EDGES informó de una señal de absorción de 21 cm dejada por la primera generación de estrellas, en un artículo titulado «An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum». El resultado sigue en disputa y espera verificación independiente (Bowman et al., Nature, 2018).

Qué hay dentro de un átomo

Una lámina de oro desvía de vez en cuando las partículas alfa hacia atrás, y de ahí Ernest Rutherford dedujo que la masa de un átomo se concentra en un núcleo diminuto (Rutherford, Philosophical Magazine, 1911). El artículo se titula «The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom».

Cómo lo muestra el juego

En el juego, el rango de tiempo de la era Núcleos y átomos es «3 min – 150 millones de años» y su recurso son los átomos. Los generadores son Captura de protones, Fusión de deuterones, Síntesis de helio-4 y Captura de electrones, que corresponden al proceso que va de la nucleosíntesis a la formación de los átomos.