La mitad del premio Nobel de física de 2019 ha sido concedida a James Peebles. Este premio es el reconocimiento a un científico que participado en los grandes descubrimientos de la cosmología moderna.

James Peebles @Nobel media

Primero, hagamos un repaso de los descubrimientos históricos que llevaron a proponer la teoría del Big Bang, así entenderemos mejor el premio Nobel de este año. A principios del siglo XX, aún no sabíamos casi nada sobre la estructura a gran escala del universo, de hecho conocíamos nuestra galaxia y poco más. Esto cambió con las primeras observaciones de galaxias realizadas en 1912 por Vesto Slipher. Cuando se analizaron los datos, estos sorprendieron a toda la comunidad científica: ¡La mayoría de galaxias se alejaban de nosotros a velocidades de cientos de kilómetros por segundo!

El universo se expande: Ley de Hubble

Ya en 1925, Alexander Friedman y Georges Lemaître (el sacerdote que demostró la expansión del universo), utilizando las ecuaciones de relatividad general de Einstein publicadas en 1905, demostraron independientemente que un universo homogéneo e isótropo no puede estar en un estado estático, sino que ha de estar en expansión o en contracción.

Aunque Georges Lemaître había realizado algunas medidas, no sería hasta 1929 cuando Edwin Hubble utilizando estrellas cefeidas, pudo determinar sistemáticamente la distancia a algunas galaxias cercanas.  Representando la distancia frente a la velocidad de las galaxias determinó que: en promedio cuanto más lejos se encuentra una galaxia más rápido se aleja de nosotros.

Imagen original obtenida por Hubble, la escala de la izquierda debería poner km/s. Se puede observar como las primeras medidas estimaban un valor para la constante de Hubble de 500 km/s por megaparsec. Esto es debido principalmente a una mala estimación en las distancias a las galaxias. @PNAS.

Si hacemos el ajuste con datos modernos, el valor de la pendiente es de unos 70 km/s por megaparsec. Esto significa que una galaxia situada a 1 megaparsec (3,26 millones de años luz) se alejará de nosotros a unos 70 kilómetros por segundo.

El fondo cósmico de microondas: formación de los primeros átomos

Los descubrimientos de Hubble llevaron a Gamow a pensar: ¿Si el universo está en expansión, si miramos atrás en el tiempo no debería estar todo el universo mucho más comprimido? Tras realizar los cálculos llegó a la siguiente conclusión: hace unos 13500 millones de años el universo debería estar en un estado tan denso y a tal temperatura que la materia estaría en estado de plasma. Esto significa que los electrones y los núcleos están continuamente chocando unos con otros pero no forman estados ligados estables, igual que ocurre en el interior de una estrella.

Por tanto, si el universo estuvo en un estado tan denso donde aun no se habían formado átomos, cuando se expandiera y se enfriara lo suficiente, los electrones se se combinarían con los núcleos formando átomos y emitiendo luz en el proceso. Al combinarse los electrones y los núcleos y formar átomos neutros, el universo a gran escala dejó de contener partículas cargadas, lo que que ha permitido que esta luz haya estado viajando por el universo durante 13500 millones de años.

Si queremos detectar esta luz, debemos tener en cuenta que durante 13500 millones de años el universo ha aumentado su tamaño aproximadamente un factor 1000. Esta expansión del universo y de la luz que se propaga a través de él, hace que la luz visible emitida en aquella época hoy la detectemos en el rango de las microondas. Y de ahí el nombre de fondo cósmico de microondas, que no es más que la radiación microondas que proviene de la formación de los átomos y que es detectable en todo el universo.

En el video de arriba vemos el fondo cósmico de microondas observado por la misión Planck. Normalmente vemos un proyección en 2D, en el vídeo se puede ver como esta radiación es una radiación que nos llega desde todo el universo. @QuantaMagazine

Nucleosíntesis primordial: formación de los núcleos atómicos

Si nos remontamos aún más en el tiempo, el universo todavía estuvo en un estado más denso y a mayor temperatura. De hecho, estaba a tal temperatura que ni los núcleos atómicos podían existir. Si ahora nos imaginamos que podemos darle a la película hacia adelante y dejar que el universo se expanda y se enfríe, observaremos cómo se forman los primeros núcleos atómicos. Esto es lo que se conoce como nucleosíntesis primordial.

La nucleosíntesis primordial ocurrió durante los primeros minutos de vida del universo, formándose sólo los núcleos más ligeros: hidrógeno, helio y algunas trazas de litio. Las abundancias relativas de los elementos se pueden predecir según la cantidad de protones, neutrones y fotones presentes. De hecho, hoy en día tenemos modelos teóricos muy buenos que predicen las abundancias de los elementos que concuerdan perfectamente con las observaciones de nubes gas interestelar mas antiguas que conocemos y que podemos asumir como representativas de la composición primigenia del universo.

Historia de nuestro universo donde podemos ver cuando tiene lugar la nucleosíntesis y la emisión del fondo cósmico de microondas @Wikipedia

Contribuciones de Peebles

La contribución principal de Peebles, ha sido su participación en la predicción del fondo cósmico de microondas y el posterior análisis de las anisotropías. Pero también ha publicado artículos importantes sobre nucleosíntesis primordial y sobre la formación de galaxias con materia oscura (estructura a gran escala). Es decir, ha colaborado en el desarrollo de modelos teóricos en casi todas las etapas claves de la evolución del universo, algo al alcance de muy pocos.

Importancia del premio Nobel

Hasta ahora los premios Nobel, habían entregado dos premios relacionados con el fondo cósmico de microondas: uno al descubrimiento experimental del fondo cósmico de microondas hecho por Penzias y Wilson en 1964 y otro a la colaboración del satélite COBE por el descubrimiento de las anisotropías en el fondo cósmico de microondas en 1992.

Este premio Nobel viene a reconocer el trabajo de una generación de físicos teóricos (entre ellos físicos de la talla de Gamow y Zeldovich), que establecieron las bases la evolución de nuestro universo, desde la formación de los primeros núcleos atómicos hasta llegar a nuestros días. ¡13 800 años de historia, casi nada!