Datat 13.700 milions d'anys enrere, l'origen de l'Univers pot semblar difícil d'investigar després d'haver passat tant de temps. Però el treball de Mather i Smoot sobre el fons còsmic de radiació de microones -gràcies al qual han guanyat el premi Nobel de física del 2006- ha proporcionat noves evidències sobre el que va passar en èpoques tan remotes

Aliberas i Maymí, Joan

Massó i Soler, Eduard,

Ciències revista del professorat de ciències de Primària i Secundària

Aliberas Maymí, Joan

Diposit Digital de Documents de la UAB

 Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència   El fons còsmic de microones i l’origen de l’Univers   Eduard Massó, Departament de Física, Àrea de Física Teòrica, Universitat Autònoma de Barcelona Joan Aliberas, IES Josep Puig i Cadafalch, Mataró   Datat 13.700 milions d’anys enrere, l’origen de l’Univers pot semblar difícil d’investigar després d’haver passat tant de temps. Però el treball de Mather i Smoot sobre el fons còsmic de radiació de microones –gràcies al qual han guanyat el premi Nobel de física del 2006– ha proporcionat noves evidències sobre el que va passar en èpoques tan remotes.  El treball de Mather i Smoot ha proporcionat im-portants dades sobre l’Univers, fins llavors desco-negudes. Són importants perquè la seva anàlisi aporta tant un salt de progrés en el coneixement científic com una altra lliçó d’humilitat, de manera semblant al que ja havia passat en altres avenços històrics.  Lliçons d’humilitat i salts endavant com els que van significar l’abandó d’algunes concepcions apa-rentment ben establertes: que la Terra és el centre de l’Univers, que ho és el Sol, que la Galàxia és tot l’Univers...  Ara les noves dades ens condueixen a la con-vicció que la matèria que palpem, la formada per àtoms, és una part molt minoritària del contingut de l’Univers.  Queda molt més per descobrir del que ens ima-ginàvem. Però comencem pel principi.    UN SOROLL MOLEST Els primers satèl·lits de telecomunicació, ano-menats Eco, consistien en grans globus plens de gas i servien per reflectir passivament ones de rà-dio i així permetre la comunicació entre punts allu-nyats. Com que els senyals que arribarien eren molt dèbils, es van haver de crear grans antenes per poder-les captar.  Una d’elles la construí la companyia telefònica Bell Laboratories a Nova Jersey (EUA) el 1960. Dos joves empleats, radioastrònoms de formació, Arno Penzias i Robert Wilson (fig. 1), maldaven per utilitzar-la com a radiotelescopi. Finalment el 1962, amb la posada en òrbita del Telstar, el primer sa-tèl·lit actiu de telecomunicacions, l’antena quedà alliberada de la seva funció original i ells la pogue-ren utilitzar. Aviat van topar amb un senyal que els apareixia en totes les observacions. Per a ells era un molest soroll. Comprovaren que no canviava amb la direc-ció que posaven l’antena ni amb l’època de l’any. Van sospitar de l’aparell, dels entorns, dels coloms, de factors remots...    Figura 1. Penzias i Wilson, premis Nobel de física el 1978, amb l’antena de Holmdel, Nova Jersey, anys després que els ajudés a descobrir el fons còsmic de microones.  El 1929 l’astrònom nord-americà Edwin Hubble havia publicat el seu treball cabdal on demostrava que les galàxies s’allunyen de nosaltres amb una velocitat proporcional a la distància.  Això havia donat peu a pensar que tota la matè-ria havia sortit d’un sol punt, elaborant la teoria que s’anomenà, irònicament, del Big Bang o Gran Ex-plosió. Una explosió que s’hauria produït uns 13.700 milions d’anys enrere: un escenari tan re-34  Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència mot que difícilment ningú podia pensar sèriament en obtenir-ne dades... suposant que la teoria tin-gués algun sentit. Penzias i Wilson, experts en microones (les ones electromagnètiques amb longituds d’ona entre 10–5 i 10–1 m), van publicar les seves dades el 1965, sense buscar-hi interpretació.    UN COS NEGRE  ANOMENAT UNIVERS És prou conegut que el 1900 l’alemany Max Planck havia aconseguir explicar, mitjançant la hi-pòtesi de la quantització de la radiació, l’espectre de radiació d’un cos negre. Segons la seva tempe-ratura, la distribució de les freqüències que emet un cos negre és diferent (fig. 2).   Figura 2. Intensitat de la radiació emesa per un cos negre en funció de la freqüència per a algunes tem-peratures.             Figura 3. Planisferi celest mostrant l’isotropia del fons còsmic de microones en una escala de 0 a 4 K. El planisferi representa la seva distribució ho-mogènia a l’esfera celest (imatge petita). Però la radiació descoberta per Penzias i Wilson corresponia a la d’un cos negre a una temperatura de 2,728 K. Coincidia amb la que, segons els càl-culs, tindria actualment la radiació produïda en el Big Bang, un cop “refredada” per l’expansió de l’Univers des de llavors. Avui dia es coneix com a fons còsmic de microones. Podríem representar aquesta radiació per a ca-dascuna de les direccions de l’espai mitjançant un planisferi, indicant en fals color la temperatura: del blau (0 K) al roig (4 K). Però com que és idèntica en totes les direccions, isòtropa, la imatge no tin-dria detalls (fig. 3).  Però el 1989 la NASA posava en òrbita un sa-tèl·lit, COBE (fig. 4), per mesurar amb més precisió la radiació còsmica de fons.    Figura 4. El satèl·lit COBE i els seus principals components. Estava dissenyat per tenir els panels solars sempre encarats a la llum del Sol, mentre que els instruments en quedaven protegits per un escut tèrmic i una orientació convenient. Al mateix temps, les antenes de comunicació apuntaven sempre a la Terra. (NASA) Els que afirmen que la ciència està allunyada de les emocions no saben el que diuen. No saben què se sent al contemplar la gràfica obtinguda per John Mather i George Smoot (fig. 5), mitjançant els ins-truments de la nau i publicada el 1990. Perquè és impressionant la gesta que suposa la construcció dels instruments, la brevetat de la observació (no-més 9 minuts per obtenir aquestes dades) i la be-llesa de la corba (l’espectre de cos negre més per-fecte que mai s’ha obtingut).  També cal destacar que els intervals d’error en la mesura de la intensitat, que apareixen en la grà-fica com a petites barres per a cada mesura, han 35  Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència estat multiplicats per 100 per poder resultar visual-ment apreciables. Són mesures increïblement pre-cises!    Figura 5. Espectre del fons còsmic en el Pol Nord galàctic, obtingut mitjançant el satèl·lit COBE. (NA-SA) La pregunta que el lector es pot fer a continua-ció és previsible: si els espectres de radiació ob-servats arreu presenten fluctuacions importants, què significa que la radiació còsmica de fons res-pongui tan bé a la corba teòrica?  Les fluctuacions esmentades són degudes a desequilibris de temperatura més o menys impor-tants, que es donen en la majoria de sistemes. Que la radiació de l’Univers no les mostri és una im-pressionant evidència que, quan es van emetre, tot ell era en equilibri tèrmic. I això només és possible per una forta interacció entre totes les seves parts.  Això sol ja descarta uns quants models d’evo-lució de l’Univers i n’afavoreix uns altres. Encara que no semblava possible, estem obtenint informa-ció molt directa del que va passar en les primeres etapes en l’evolució de l’univers!   UNA RADIACIÓ UNIFORME... QUE NO HO ÉS DEL TOT El tractament de les imatges el podem resumir de la següent manera. Les mesures obtingudes en totes direccions es-tan recollides en la imatge de la fig. 6 i mostren grans diferències entre diferents direccions.  Però com que són degudes a fenòmens més o menys ben coneguts, es podran anar retirant de les dades restant els valors corresponents fins a deixar únicament les radiacions del fons còsmic de micro-ones. Un d’aquests fenòmens és la llum zodiacal, ori-ginada en el nostre Sistema Solar i que aquí tra-vessa tot el planisferi en forma d’una gran S.             Figura 6. Representació, en coordenades galàcti-ques, de les dades en brut obtingudes mitjançant COBE. La franja blanca, propera al seu pla equato-rial, correspon a la part més densa de la Via Làctia. (NASA) Un altre fenomen eliminable és l’efecte Doppler causat pel moviment del Sistema Solar respecte d’astres llunyans. Això provoca que en la direcció del cel cap a on ens dirigim les radiacions es des-placin cap al blau, mentre que les oposades ho fan cap al roig (fig.7). Aquestes desviacions correspo-nen a diferències de temperatura de tan sols ±3,353 mK, aproximadament una part de cada mil.            Figura 7. Efecte del desplaçament de la Terra alte-rant les longituds d’ona de la radiació còsmica de fons. (NASA)           Figura 8. Distribució de radiació de fons juntament amb la de la galàxia, que apareix principalment a la part equatorial. (NASA) 36  Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència Una vegada eliminat aquest efecte (fig. 8) cal restar també la radiació provinent de la galàxia, de-gudament modelitzada.   Figura 9. Imatge final de les diferències en la radi-ació còsmica de fons. Corresponen a diferències de temperatura de ±18 µK (aproximadament 10–5 K). Els resultats es publicaren el 1992. (NASA) Després d’aquestes i altres supressions s’obté la distribució de la radiació còsmica de fons. L’ad-mirable resultat final es pot apreciar a la coneguda imatge de la fig. 9.  Paradoxalment, doncs, a més de comprovar la gran uniformitat de la radiació còsmica de fons, l’altre gran èxit de COBE va ser permetre constatar que aquesta radiació no era del tot uniforme.  Ambdós descobriments de Matter i Smoot són els que va premiar el jurat atorgant-los recentment el Nobel de física (fig. 10).                 Figura 10. John C. Matter (esquerra) i George F. Smoot, científics estadounidencs guardonats amb el premi Nobel de física el 2006. (Nobelprize.org) Aquests resultats han estat confirmats recent-ment amb un altre satèl·lit nord-americà, el WMAP, que ha estudiat el fons còsmic de microones amb més resolució. Mentre el COBE tenia una resolució de 7º –és a dir 14 vegades més ample que la lluna plena–, la del nou enginy variava, segons els ins-truments, de 0,9 a 0,2º. El resultat val la pena com-parar-lo amb les dades anteriors (fig. 11 i 12). Com es pot veure, les estructures són les mateixes, però la resolució és molt millor. La cosmologia de precisió, inaugurada amb el COBE, ja s’està desenvolupant.    Figura 11. Dades procedents del WMAP, publica-des el 2003. (NASA)  Figura 12. Imatge obtinguda a partir de dades del WMAP del fons còsmic de radiació en totes direc-cions.  QUÈ ENS ENSENYA  EL FONS CÒSMIC DE MICROONES? El fons còsmic de microones és la radiació que queda d’un moment molt concret de la història de l’Univers.  En uns primers moments es produeixen una sè-rie de fenòmens que la física de partícules va acla-rint.   La matèria és en estat de un plasma. Les forces entre partícules carregades són el resultat de l’intercanvi de fotons. Com que en aquestes condi-cions els fotons no poden seguir trajectòries rectilí-nies, hem d’imaginar un Univers òpticament opac (fig. 13). A més a més, la pressió de radiació ten-deix a separar les càrregues entre si. Quan més endavant es poden formar els àtoms, principalment d’hidrogen, l’absència significativa de càrregues lliures permet la difusió rectilínia dels fo-tons (fig. 14). En aquell moment l’Univers esdevé transparent. 37  Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència  Figura 13. L’opacitat de l’Univers primitiu és degu-da a les càrregues, que desvien els fotons, porta-dors de la interacció electromagnètica. Les línies verdes representen trajectòries de fotons.  Figura 14. L’opacitat de l’Univers s’acaba quan la matèria s’organitza en àtoms neutres, indicats aquí com a càrregues elèctriques mútuament neutralit-zades.  Figura 15. Comparació entre la llum que ens arriba (dreta) de la superfície del núvol, sense poder veu-re directament la de l’interior i (esquerra) la radiació procedent de la darrera dispersió (last scattering) just quan l’Univers esdevé òpticament transparent. (NASA) Les petites diferències de temperatura entre punts de l’Univers en aquell moment, evidenciades per la radiació tèrmica que emetien, han arribat fins a nosaltres en forma de fons còsmic de microones. Les petites diferències de temperatura que hi per-ceben, doncs, corresponen a petites diferències de densitat de la matèria en el moment que l’Univers es torna transparent. Tenia prop dels 400.000 anys d’edat. De la mateixa manera que la llum pot anar rebo-tant per l’interior d’un núvol però nosaltres només podem veure la que n’emergeix (fig. 15a), de l’eta-pa opaca de l’Univers només en podem veure el que en va sortir quan es va tornar transparent (fig. 15b), i amb una longitud d’ona que ha anat aug-mentant amb l’expansió de l’Univers. Aquestes mínimes diferències de temperatura, corresponents a mínimes diferències de densitat, són les que després faran possible que els núvols de gas puguin comprimir-se per efecte gravitatori i formar les grans estructures còsmiques (fig. 16). Si la densitat hagués estat uniforme, aquestes estruc-tures no s’haurien pogut formar. I nosaltres no hi seríem.   Figura 16. Representació simplificada de l’evolució de l’Univers durant la seva existència de 13.700 mi-lions d’anys. (NASA) De la mateixa manera que la llum que emergeix d’un núvol pot informar indirectament d’algunes ca-racterístiques dels seu interior, les petites diferèn-cies de temperatura informen sobre petitíssimes fluctuacions produïdes en èpoques molt i molt pri-merenques. Concretament durant l’etapa coneguda com a inflació, quan es produeix una expansió rà-pida, sobtada i molt breu.    CAP A UNA NOVA IMATGE  DE L’UNIVERS Les dades del fons còsmic de microones apor-ten proves del Big Bang: si la matèria no hagués estat interaccionant molt junta en algun moment no 38  Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència podria haver estat en l’equilibri tèrmic pràcticament ideal que les dades mostren. També donen suport a la teoria de la inflació.  I encara que no hi entrem, cal esmentar que els actuals models del Big Bang també expliquen per què l’Univers hauria de ser geomètricament “pla”, tal com les mesures semblen demostrar.  Per altra banda, mesures fetes de determinades supernoves ens mostren que l’expansió de l’Uni-vers s’accelera en comptes de frenar-se per la gra-vetat. Això s’explicaria per la presència d’una mis-teriosa energia obscura.  A més a més, la mesura dels efectes gravitato-ris de la matèria fosca ha permès quantificar-la aproximadament. Amb tot plegat, mesures i teories que van en-caixant, apareix una nova imatge de l’Univers. La matèria normal, la constituïda per àtoms, no deixa de ser fortament minoritària (fig. 17).  Comparteix l’Univers amb matèria obscura (que, a diferència dels àtoms, no emet ni absorbeix llum i que només es detecta pel seus efectes gravitatoris) i amb una majoritària energia obscura (que es com-porta com una mena d’antigravetat i que ocasiona l’actual acceleració de l’expansió de l’Univers).    Figura 17. El contingut de l’Univers. (NASA) Compartim, doncs, el cosmos amb dues entitats ben misterioses ja que, de moment, ben poca cosa se’n sap. El llibre de la ciència mostra pàgines en blanc, esperant que algú que les escrigui.   39 

El fons còsmic de microones i l'origen de l'Univers

Datat 13.700 milions d’anys enrere, l’origen de l’Univers pot semblar difícil d’investigar després d’haver passat tant de temps. Però el treball de Mather i Smoot sobre el fons còsmic de radiació de microones –gràcies al qual han guanyat el premi Nobel de física del 2006– ha proporcionat noves evidències sobre el que va passar en èpoques tan remotes

Massó, Eduard

Revistes Catalanes amb Accés Obert

 
Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència
 
 
 
El fons còsmic de microones 
i l’origen de l’Univers  
 
Eduard Massó, Departament de Física, Àrea de Física Teòrica, Universitat Autònoma de Barcelona 
Joan Aliberas, IES Josep Puig i Cadafalch, Mataró 
 
 
Datat 13.700 milions d’anys enrere, l’origen de l’Univers pot semblar difícil d’investigar 
després d’haver passat tant de temps. Però el treball de Mather i Smoot sobre el fons 
còsmic de radiació de microones –gràcies al qual han guanyat el premi Nobel de física del 
2006– ha proporcionat noves evidències sobre el que va passar en èpoques tan remotes.  
El treball de Mather i Smoot ha proporcionat im-
portants dades sobre l’Univers, fins llavors desco-
negudes. Són importants perquè la seva anàlisi 
aporta tant un salt de progrés en el coneixement 
científic com una altra lliçó d’humilitat, de manera 
semblant al que ja havia passat en altres avenços 
històrics.  
Lliçons d’humilitat i salts endavant com els que 
van significar l’abandó d’algunes concepcions apa-
rentment ben establertes: que la Terra és el centre 
de l’Univers, que ho és el Sol, que la Galàxia és tot 
l’Univers...  
Ara les noves dades ens condueixen a la con-
vicció que la matèria que palpem, la formada per 
àtoms, és una part molt minoritària del contingut de 
l’Univers.  
Queda molt més per descobrir del que ens ima-
ginàvem. 
Però comencem pel principi. 
  
 
UN SOROLL MOLEST 
Els primers satèl·lits de telecomunicació, ano-
menats Eco, consistien en grans globus plens de 
gas i servien per reflectir passivament ones de rà-
dio i així permetre la comunicació entre punts allu-
nyats. Com que els senyals que arribarien eren 
molt dèbils, es van haver de crear grans antenes 
per poder-les captar.  
Una d’elles la construí la companyia telefònica 
Bell Laboratories a Nova Jersey (EUA) el 1960. 
Dos joves empleats, radioastrònoms de formació, 
Arno Penzias i Robert Wilson (fig. 1), maldaven per 
utilitzar-la com a radiotelescopi. Finalment el 1962, 
amb la posada en òrbita del Telstar, el primer sa-
tèl·lit actiu de telecomunicacions, l’antena quedà 
alliberada de la seva funció original i ells la pogue-
ren utilitzar. 
Aviat van topar amb un senyal que els apareixia 
en totes les observacions. Per a ells era un molest 
soroll. Comprovaren que no canviava amb la direc-
ció que posaven l’antena ni amb l’època de l’any. 
Van sospitar de l’aparell, dels entorns, dels coloms, 
de factors remots...  
 
 
Figura 1. Penzias i Wilson, premis Nobel de física 
el 1978, amb l’antena de Holmdel, Nova Jersey, 
anys després que els ajudés a descobrir el fons 
còsmic de microones. 
 El 1929 l’astrònom nord-americà Edwin Hubble 
havia publicat el seu treball cabdal on demostrava 
que les galàxies s’allunyen de nosaltres amb una 
velocitat proporcional a la distància.  
Això havia donat peu a pensar que tota la matè-
ria havia sortit d’un sol punt, elaborant la teoria que 
s’anomenà, irònicament, del Big Bang o Gran Ex-
plosió. Una explosió que s’hauria produït uns 
13.700 milions d’anys enrere: un escenari tan re-
34 
 
Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència
 
mot que difícilment ningú podia pensar sèriament 
en obtenir-ne dades... suposant que la teoria tin-
gués algun sentit. 
Penzias i Wilson, experts en microones (les 
ones electromagnètiques amb longituds d’ona entre 
10–5 i 10–1 m), van publicar les seves dades el 
1965, sense buscar-hi interpretació.  
 
 
UN COS NEGRE  
ANOMENAT UNIVERS 
És prou conegut que el 1900 l’alemany Max 
Planck havia aconseguir explicar, mitjançant la hi-
pòtesi de la quantització de la radiació, l’espectre 
de radiació d’un cos negre. Segons la seva tempe-
ratura, la distribució de les freqüències que emet un 
cos negre és diferent (fig. 2). 
 
 
Figura 2. Intensitat de la radiació emesa per un cos 
negre en funció de la freqüència per a algunes tem-
peratures. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. Planisferi celest mostrant l’isotropia del 
fons còsmic de microones en una escala de 0 a 4 
K. El planisferi representa la seva distribució ho-
mogènia a l’esfera celest (imatge petita). 
Però la radiació descoberta per Penzias i Wilson 
corresponia a la d’un cos negre a una temperatura 
de 2,728 K. Coincidia amb la que, segons els càl-
culs, tindria actualment la radiació produïda en el 
Big Bang, un cop “refredada” per l’expansió de 
l’Univers des de llavors. Avui dia es coneix com a 
fons còsmic de microones. 
Podríem representar aquesta radiació per a ca-
dascuna de les direccions de l’espai mitjançant un 
planisferi, indicant en fals color la temperatura: del 
blau (0 K) al roig (4 K). Però com que és idèntica 
en totes les direccions, isòtropa, la imatge no tin-
dria detalls (fig. 3).  
Però el 1989 la NASA posava en òrbita un sa-
tèl·lit, COBE (fig. 4), per mesurar amb més precisió 
la radiació còsmica de fons.  
 
 
Figura 4. El satèl·lit COBE i els seus principals 
components. Estava dissenyat per tenir els panels 
solars sempre encarats a la llum del Sol, mentre 
que els instruments en quedaven protegits per un 
escut tèrmic i una orientació convenient. Al mateix 
temps, les antenes de comunicació apuntaven 
sempre a la Terra. (NASA) 
Els que afirmen que la ciència està allunyada de 
les emocions no saben el que diuen. No saben què 
se sent al contemplar la gràfica obtinguda per John 
Mather i George Smoot (fig. 5), mitjançant els ins-
truments de la nau i publicada el 1990. Perquè és 
impressionant la gesta que suposa la construcció 
dels instruments, la brevetat de la observació (no-
més 9 minuts per obtenir aquestes dades) i la be-
llesa de la corba (l’espectre de cos negre més per-
fecte que mai s’ha obtingut).  
També cal destacar que els intervals d’error en 
la mesura de la intensitat, que apareixen en la grà-
fica com a petites barres per a cada mesura, han 
35 
 
Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència
 
estat multiplicats per 100 per poder resultar visual-
ment apreciables. Són mesures increïblement pre-
cises! 
 
 
 
Figura 5. Espectre del fons còsmic en el Pol Nord 
galàctic, obtingut mitjançant el satèl·lit COBE. (NA-
SA) 
La pregunta que el lector es pot fer a continua-
ció és previsible: si els espectres de radiació ob-
servats arreu presenten fluctuacions importants, 
què significa que la radiació còsmica de fons res-
pongui tan bé a la corba teòrica?  
Les fluctuacions esmentades són degudes a 
desequilibris de temperatura més o menys impor-
tants, que es donen en la majoria de sistemes. Que 
la radiació de l’Univers no les mostri és una im-
pressionant evidència que, quan es van emetre, tot 
ell era en equilibri tèrmic. I això només és possible 
per una forta interacció entre totes les seves parts.  
Això sol ja descarta uns quants models d’evo-
lució de l’Univers i n’afavoreix uns altres. Encara 
que no semblava possible, estem obtenint informa-
ció molt directa del que va passar en les primeres 
etapes en l’evolució de l’univers! 
 
 
UNA RADIACIÓ UNIFORME... 
QUE NO HO ÉS DEL TOT 
El tractament de les imatges el podem resumir 
de la següent manera. 
Les mesures obtingudes en totes direccions es-
tan recollides en la imatge de la fig. 6 i mostren 
grans diferències entre diferents direccions.  
Però com que són degudes a fenòmens més o 
menys ben coneguts, es podran anar retirant de les 
dades restant els valors corresponents fins a deixar 
únicament les radiacions del fons còsmic de micro-
ones. 
Un d’aquests fenòmens és la llum zodiacal, ori-
ginada en el nostre Sistema Solar i que aquí tra-
vessa tot el planisferi en forma d’una gran S. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6. Representació, en coordenades galàcti-
ques, de les dades en brut obtingudes mitjançant 
COBE. La franja blanca, propera al seu pla equato-
rial, correspon a la part més densa de la Via Làctia. 
(NASA) 
Un altre fenomen eliminable és l’efecte Doppler 
causat pel moviment del Sistema Solar respecte 
d’astres llunyans. Això provoca que en la direcció 
del cel cap a on ens dirigim les radiacions es des-
placin cap al blau, mentre que les oposades ho fan 
cap al roig (fig.7). Aquestes desviacions correspo-
nen a diferències de temperatura de tan sols 
±3,353 mK, aproximadament una part de cada mil. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7. Efecte del desplaçament de la Terra alte-
rant les longituds d’ona de la radiació còsmica de 
fons. (NASA) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8. Distribució de radiació de fons juntament 
amb la de la galàxia, que apareix principalment a la 
part equatorial. (NASA) 
36 
 
Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència
 
Una vegada eliminat aquest efecte (fig. 8) cal 
restar també la radiació provinent de la galàxia, de-
gudament modelitzada.  
 
Figura 9. Imatge final de les diferències en la radi-
ació còsmica de fons. Corresponen a diferències 
de temperatura de ±18 µK (aproximadament 10–5 
K). Els resultats es publicaren el 1992. (NASA) 
Després d’aquestes i altres supressions s’obté 
la distribució de la radiació còsmica de fons. L’ad-
mirable resultat final es pot apreciar a la coneguda 
imatge de la fig. 9.  
Paradoxalment, doncs, a més de comprovar la 
gran uniformitat de la radiació còsmica de fons, 
l’altre gran èxit de COBE va ser permetre constatar 
que aquesta radiació no era del tot uniforme.  
Ambdós descobriments de Matter i Smoot són 
els que va premiar el jurat atorgant-los recentment 
el Nobel de física (fig. 10).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10. John C. Matter (esquerra) i George F. 
Smoot, científics estadounidencs guardonats amb 
el premi Nobel de física el 2006. (Nobelprize.org) 
Aquests resultats han estat confirmats recent-
ment amb un altre satèl·lit nord-americà, el WMAP, 
que ha estudiat el fons còsmic de microones amb 
més resolució. Mentre el COBE tenia una resolució 
de 7º –és a dir 14 vegades més ample que la lluna 
plena–, la del nou enginy variava, segons els ins-
truments, de 0,9 a 0,2º. El resultat val la pena com-
parar-lo amb les dades anteriors (fig. 11 i 12). Com 
es pot veure, les estructures són les mateixes, però 
la resolució és molt millor. 
La cosmologia de precisió, inaugurada amb el 
COBE, ja s’està desenvolupant. 
 
 
 
Figura 11. Dades procedents del WMAP, publica-
des el 2003. (NASA) 
 
Figura 12. Imatge obtinguda a partir de dades del 
WMAP del fons còsmic de radiació en totes direc-
cions. 
 
QUÈ ENS ENSENYA  
EL FONS CÒSMIC DE MICROONES? 
El fons còsmic de microones és la radiació que 
queda d’un moment molt concret de la història de 
l’Univers.  
En uns primers moments es produeixen una sè-
rie de fenòmens que la física de partícules va acla-
rint.  
 
La matèria és en estat de un plasma. Les forces 
entre partícules carregades són el resultat de 
l’intercanvi de fotons. Com que en aquestes condi-
cions els fotons no poden seguir trajectòries rectilí-
nies, hem d’imaginar un Univers òpticament opac 
(fig. 13). A més a més, la pressió de radiació ten-
deix a separar les càrregues entre si. 
Quan més endavant es poden formar els àtoms, 
principalment d’hidrogen, l’absència significativa de 
càrregues lliures permet la difusió rectilínia dels fo-
tons (fig. 14). En aquell moment l’Univers esdevé 
transparent. 
37 
 
Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència
 
 
Figura 13. L’opacitat de l’Univers primitiu és degu-
da a les càrregues, que desvien els fotons, porta-
dors de la interacció electromagnètica. Les línies 
verdes representen trajectòries de fotons. 
 
Figura 14. L’opacitat de l’Univers s’acaba quan la 
matèria s’organitza en àtoms neutres, indicats aquí 
com a càrregues elèctriques mútuament neutralit-
zades. 
 
Figura 15. Comparació entre la llum que ens arriba 
(dreta) de la superfície del núvol, sense poder veu-
re directament la de l’interior i (esquerra) la radiació 
procedent de la darrera dispersió (last scattering) 
just quan l’Univers esdevé òpticament transparent. 
(NASA) 
Les petites diferències de temperatura entre 
punts de l’Univers en aquell moment, evidenciades 
per la radiació tèrmica que emetien, han arribat fins 
a nosaltres en forma de fons còsmic de microones. 
Les petites diferències de temperatura que hi per-
ceben, doncs, corresponen a petites diferències de 
densitat de la matèria en el moment que l’Univers 
es torna transparent. Tenia prop dels 400.000 anys 
d’edat. 
De la mateixa manera que la llum pot anar rebo-
tant per l’interior d’un núvol però nosaltres només 
podem veure la que n’emergeix (fig. 15a), de l’eta-
pa opaca de l’Univers només en podem veure el 
que en va sortir quan es va tornar transparent (fig. 
15b), i amb una longitud d’ona que ha anat aug-
mentant amb l’expansió de l’Univers. 
Aquestes mínimes diferències de temperatura, 
corresponents a mínimes diferències de densitat, 
són les que després faran possible que els núvols 
de gas puguin comprimir-se per efecte gravitatori i 
formar les grans estructures còsmiques (fig. 16). Si 
la densitat hagués estat uniforme, aquestes estruc-
tures no s’haurien pogut formar. I nosaltres no hi 
seríem. 
 
 
Figura 16. Representació simplificada de l’evolució 
de l’Univers durant la seva existència de 13.700 mi-
lions d’anys. (NASA) 
De la mateixa manera que la llum que emergeix 
d’un núvol pot informar indirectament d’algunes ca-
racterístiques dels seu interior, les petites diferèn-
cies de temperatura informen sobre petitíssimes 
fluctuacions produïdes en èpoques molt i molt pri-
merenques. Concretament durant l’etapa coneguda 
com a inflació, quan es produeix una expansió rà-
pida, sobtada i molt breu.  
 
 
CAP A UNA NOVA IMATGE  
DE L’UNIVERS 
Les dades del fons còsmic de microones apor-
ten proves del Big Bang: si la matèria no hagués 
estat interaccionant molt junta en algun moment no 
38 
 
Ciències 6 (2007) Aprofundim en la ciència
 
podria haver estat en l’equilibri tèrmic pràcticament 
ideal que les dades mostren. També donen suport 
a la teoria de la inflació.  
I encara que no hi entrem, cal esmentar que els 
actuals models del Big Bang també expliquen per 
què l’Univers hauria de ser geomètricament “pla”, 
tal com les mesures semblen demostrar.  
Per altra banda, mesures fetes de determinades 
supernoves ens mostren que l’expansió de l’Uni-
vers s’accelera en comptes de frenar-se per la gra-
vetat. Això s’explicaria per la presència d’una mis-
teriosa energia obscura.  
A més a més, la mesura dels efectes gravitato-
ris de la matèria fosca ha permès quantificar-la 
aproximadament. 
Amb tot plegat, mesures i teories que van en-
caixant, apareix una nova imatge de l’Univers. La 
matèria normal, la constituïda per àtoms, no deixa 
de ser fortament minoritària (fig. 17).  
Comparteix l’Univers amb matèria obscura (que, 
a diferència dels àtoms, no emet ni absorbeix llum i 
que només es detecta pel seus efectes gravitatoris) 
i amb una majoritària energia obscura (que es com-
porta com una mena d’antigravetat i que ocasiona 
l’actual acceleració de l’expansió de l’Univers).  
 
 
Figura 17. El contingut de l’Univers. (NASA) 
Compartim, doncs, el cosmos amb dues entitats 
ben misterioses ja que, de moment, ben poca cosa 
se’n sap. El llibre de la ciència mostra pàgines en 
blanc, esperant que algú que les escrigui. 
 
 
39 


El fons còsmic de microones i l'origen de l'Univers

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Diposit Digital de Documents de la UAB

Revistes Catalanes amb Accés Obert