3
QUE ES FACI LA LLUM

Després del big bang, la principal ocupació del cosmos era l’expansió, sempre diluint la concentració d’energia que omplia l’espai. Amb cada moment que passava, l’univers era una mica més gran, una mica més fred i una mica més fosc. Mentrestant, la matèria i l’energia cohabitaven en una mena de sopa opaca, en la qual els electrons lliures dispersaven contínuament els fotons en totes direccions.

Durant 380 mil anys, les coses van anar així.

En aquella època primerenca, els fotons no recorrien gaire camí sense trobar-se un electró. Si aleshores la teva feina hagués estat observar a través de l’univers, no hauries pogut. Qualsevol fotó que haguessis detectat hauria topat contra un electró davant dels teus nassos nanosegons i picosegons abans.^[4] Com que aquesta és la distància més gran a la qual pot viatjar la informació abans que arribi als teus ulls, tot l’univers era simplement una boira opaca i brillant en qualsevol direcció que miressis. El Sol i totes les altres estrelles també es comporten d’aquesta manera.

A mesura que la temperatura baixa, les partícules es mouen més lentament. Per tant, just llavors, quan la temperatura de l’univers va baixar per primera vegada per sota dels 3.000 graus kelvin, els electrons van alentir prou el seu moviment per ser capturats pels protons que passaven, oferint al món els àtoms completament desenvolupats. Això va permetre als pobres fotons viatjar lliurement i recórrer trajectòries ininterrompudes arreu de l’univers.

Aquest «fons còsmic» és l’encarnació de les restes de llum d’un resplendent i guspirejant univers primigeni, i se li pot assignar una temperatura, basada en la part de l’espectre que representen els fotons dominants. A mesura que el cosmos es va continuar refredant, els fotons que havien nascut a la part visible de l’espectre van perdre energia en l’univers en expansió i finalment van lliscar de l’espectre transformant-se en fotons infrarojos. Malgrat que els fotons de llum visibles es van tornar cada vegada més febles, mai no van deixar de ser fotons.

Què hi va passar després, a l’espectre? Actualment, l’univers s’ha multiplicat per 1.000 en la seva expansió des del moment en què els fotons es van alliberar, i per tant el fons còsmic, al seu torn, s’ha refredat en una proporció de 1.000. Tots els fotons de llum visibles d’aquella època s’han tornat una mil·lèsima igual d’energètics. Ara són microones, que és d’on prové el terme modern fons còsmic de microones, o CMB, per les sigles en anglès. Si continua així, d’aquí a 50 mil milions d’anys els astrofísics escriuran sobre el fons còsmic d’ones de ràdio.

Quan una cosa està incandescent perquè s’ha escalfat, emet llum a totes les parts de l’espectre, però sempre hi haurà un punt màxim. En els llums domèstics que encara van amb filaments metàl·lics incandescents, les bombetes tenen el punt màxim en l’infraroig, i aquesta és la causa principal de la seva ineficàcia com a font visible de llum. Els nostres sentits detecten l’infraroig només en forma d’escalfor a la pell. La revolució de les bombetes LED en l’avançada tecnologia de la il·luminació crea llum visible pura sense malgastar potència en les parts invisibles de l’espectre. És per això que podem llegir frases que semblen absurdes, com ara: «7 watts LED equivalen a 60 watts incandescents» en les capses de bombetes.

Com a romanent d’una cosa que abans brillava de manera incandescent, el CMB té el perfil que es pot esperar d’un objecte radiant refredant-se: té un punt màxim en una part de l’espectre, però també s’irradia en altres parts. En aquest cas, a més d’arribar a un punt màxim en les microones, el CMB també emet algunes ones de ràdio i una petitíssima quantitat de fotons d’energia més alta.

A mitjan segle XX, el subcamp de la cosmologia —i no el confonguem amb la cosmetologia— no disposava de gaires dades. I allà on les dades escassegen, abunda la contraposició d’idees intel·ligents i il·lusòries. L’existència del CMB la va predir el físic nord-americà d’origen rus George Gamow i els seus col·legues durant la dècada de 1940. La base de les seves idees provenia de l’obra del 1927 del físic i sacerdot belga Georges Lemaître, que és considerat el «pare» de la cosmologia del big bang. Però van ser els físics nord-americans Ralph Alpher i Robert Herman els qui, el 1948, van estimar per primera vegada quina devia ser la temperatura del fons còsmic. Van basar els seus càlculs en tres pilars: 1) la teoria general de la relativitat d’Einstein del 1916; 2) el descobriment que l’univers s’estava expandint d’Edwin Hubble del 1929; i 3) la física atòmica desenvolupada en els laboratoris abans i durant el Projecte Manhattan per crear les bombes atòmiques de la Segona Guerra Mundial.

Herman i Alpher van calcular i proposar una temperatura de l’univers de 5 graus kelvin. Bé, això és simplement erroni. La temperatura exacta d’aquestes microones és de 2,725 graus, a vegades expressada com a 2,7 graus, i si ets una mica mandrós amb els números, ningú no et dirà res per arrodonir a 3 graus la temperatura de l’univers.

Ara fem una petita pausa. Herman i Alpher van utilitzar la recent física atòmica generada en un laboratori, i la van aplicar en unes condicions hipotètiques de l’univers primigeni. A partir d’aquí, ho van extrapolar a milers de milions d’anys endavant, calculant quina devia ser la temperatura de l’univers actualment. El fet que la seva predicció s’aproximés ni que fos remotament a la resposta correcta és un triomf impressionant de la percepció humana. S’haurien pogut equivocar per un factor de deu, o de cent, o haurien pogut predir una cosa que ni tan sols existeix. En referència a aquesta fita, l’astrofísic nord-americà J. Richard Gott va assenyalar: «Predir que existia el fons còsmic i després calcular la seva temperatura correcta dins d’un factor de 2 va ser com predir que un plat volador de 15 metres aterraria al jardí de la Casa Blanca, i que en realitat hagués aterrat un plat volador de 8 metres».

La primera observació directa del fons còsmic de microones la van fer de manera accidental el 1964 els físics nord-americans Arno Penzias i Robert Wilson, de Bell Telephone Laboratories, la branca d’investigació d’AT&T. A la dècada de 1960 tothom coneixia les microones, però gairebé ningú no tenia la tecnologia per detectar-les. Bell Labs, un pioner en la indústria de les comunicacions, va desenvolupar una antena robusta en forma de banyes per a aquesta finalitat.

Però primer de tot, si vols enviar o rebre un senyal, no pots tenir gaires fonts que el contaminin. Per tant, Penzias i Wilson van intentar mesurar les interferències del fons còsmic de microones en el seu receptor, per permetre una comunicació clara i sense sorolls en aquesta franja de l’espectre. No eren cosmòlegs. Eren tècnics experts afinant un receptor de microones, i desconeixien les prediccions de Gamow, Herman i Alpher.

El que és segur és que Penzias i Wilson no buscaven el fons còsmic de microones; només intentaven obrir un nou canal de comunicació per a AT&T.

Penzias i Wilson van dur a terme el seu experiment, i a partir de les dades van eliminar totes les fonts d’interferències terrestres i còsmiques conegudes que van poder identificar, però una part del senyal no desapareixia, i no sabien com eliminar-lo. Finalment, van mirar a dins de l’antena i van veure que hi havia un niu de coloms. El que els preocupava era que una substància dielèctrica blanca (la caca de colom) fos la responsable del senyal, perquè el detectaven en qualsevol direcció que assenyalés el detector. Després de netejar la substància dielèctrica, la interferència va disminuir una mica, però hi continuava havent un senyal de sobres. L’informe que van publicar el 1965 tractava d’aquest inexplicable «excés de temperatura de soroll a l’antena».^[5]

Mentrestant, un equip de físics de Princeton, encapçalat per Robert Dicke, estava construint un detector específicament per descobrir el CMB. Però no tenien els recursos de Bell Labs, de manera que la seva feina era més lenta. En el moment que Dicke i els seus col·legues es van assabentar de les investigacions de Penzias i Wilson, l’equip de Princeton va saber exactament què era aquell excés de temperatura de soroll a l’antena que havien observat els dos investigadors. Tot encaixava: especialment la temperatura, i el fet que el senyal provenia de totes les direccions del cel.

El 1978, Penzias i Wilson van guanyar el premi Nobel pel descobriment del fons còsmic de microones. I el 2006, els astrofísics nord-americans John C. Mather i George F. Smoot compartien el premi Nobel per l’observació del CMB en una àmplia gamma de l’espectre, de manera que la cosmologia va passar de ser un viver d’idees intel·ligents, però no provades, a introduir-se en el regne d’una ciència precisa i experimental.

Com que la llum triga un temps a arribar fins a nosaltres des de llocs llunyans de l’univers, si mirem a l’espai en realitat el que veiem són milions d’anys enrere en el temps. Per tant, si els habitants intel·ligents d’una galàxia molt i molt llunyana mesuressin la temperatura de la radiació còsmica de fons en el moment capturat per la nostra mirada, haurien d’obtenir un valor superior als 2,7 graus, perquè ells viuen en un univers més jove, més petit i més calent que nosaltres.

Resulta que aquesta hipòtesi es pot demostrar. La molècula de cianogen CN (que s’havia utilitzat amb els assassins convictes com a component actiu del gas que els administraven els botxins) s’excita per l’exposició a les microones. Si les microones són més calentes que les del nostre CMB, exciten una mica més la molècula. En el model del big bang, el cianogen en galàxies llunyanes i més joves es banya en un fons còsmic més calent que el cianogen en la nostra galàxia de la Via Làctia. I això és exactament el que observem.

Aquestes coses no te les pots inventar.

Per què és interessant tot això? L’univers era opac fins 380 mil anys després del big bang, per tant, no hauries pogut observar com la matèria prenia forma encara que haguessis tingut un seient a primera fila. No hauries pogut veure els cúmuls de galàxies i els buits que es començaven a formar. Abans que algú pogués veure alguna cosa digna de ser vista, els fotons havien de viatjar, sense obstacles, a través de l’univers, com a portadors d’aquesta informació.

El punt on cada fotó va iniciar el seu viatge a través del cosmos és el lloc on va xocar amb l’últim electró que es va interposar en el seu camí: el «punt de l’última dispersió». A mesura que els fotons van anar esquivant les col·lisions, van anar creant una «superfície» en expansió de l’última dispersió, d’uns 120 mil anys de profunditat. Aquesta superfície és el lloc on van néixer tots els àtoms de l’univers: un electró s’uneix a un nucli atòmic, i un petit impuls d’energia en forma de fotó s’allunya cap al cosmos.

En aquell moment, algunes regions de l’univers ja havien començat a fusionar-se per l’atracció de la gravetat de les seves parts. Els fotons que van dispersar electrons en aquestes regions van desenvolupar un perfil diferent i lleugerament més fred que els que van dispersar electrons menys sociables al mig del no-res. Allà on s’acumulava la matèria, la força de la gravetat creixia, i això permetia que s’unís més matèria. Aquestes regions van sembrar la formació de supercúmuls de galàxies, mentre que altres regions van quedar relativament buides.

Si traces un mapa del fons còsmic de microones amb detall, trobes que no és completament llis. Té taques que són més calentes i d’altres que són més fredes que la mitjana. Estudiant aquestes variacions de temperatura del CMB —és a dir, estudiant els patrons en la superfície de l’última dispersió—, podem deduir que l’estructura i el contingut de la matèria era a l’univers primigeni. Per esbrinar com van sorgir les galàxies, els cúmuls i els supercúmuls fem servir la millor sonda, el CMB: una potent càpsula del temps que permet als astrofísics reconstruir la història còsmica al revés. Estudiar els seus patrons és com fer una mena de frenologia còsmica, ja que analitzem les protuberàncies del crani de l’univers infantil.

Quan està restringit per altres observacions de l’univers contemporani i distant, el CMB permet descodificar tota mena de propietats còsmiques fonamentals. Si es compara la distribució de mides i temperatures de les zones fredes i les calentes, es pot inferir la intensitat de la força de la gravetat en aquell moment i la rapidesa amb què s’acumulava la matèria, i alhora això permet deduir la quantitat de matèria ordinària, matèria fosca i energia fosca que hi ha a l’univers. A partir d’aquí, és fàcil dir si l’univers es continuarà expandint o no per sempre més.

La matèria ordinària és del que nosaltres estem fets. Té gravetat i interactua amb la llum. La matèria fosca és una substància misteriosa que té gravetat però no interactua amb la llum de cap manera coneguda. L’energia fosca és una pressió misteriosa en el buit de l’espai que actua en la direcció oposada a la gravetat, forçant l’univers a expandir-se més ràpid del que ho faria si no existís.

El que diu el nostre examen frenològic és que entenem de quina manera es va comportar l’univers, però que la major part de l’univers està fet de matèria de la qual no en tenim ni idea. Malgrat les nostres profundes àrees d’ignorància, actualment, més que mai, la cosmologia té un pilar base, perquè el CMB revela el portal a través del qual tots hem passat. És un punt on es van produir uns esdeveniments físics interessants, i del qual hem après sobre l’univers abans i després que s’alliberés la seva llum.

El simple descobriment del fons còsmic de microones va convertir la cosmologia en alguna cosa més que mitologia. Però va ser el mapa acurat i detallat del fons còsmic de microones el que va convertir la cosmologia en una ciència moderna. Els cosmòlegs tenen molt d’ego. No és gens estrany, si la teva feina és deduir com va arribar a existir l’univers. Sense dades, les seves explicacions només eren hipòtesis. Ara, cada nova observació, cada fragment de dades, és una espasa de doble tall: permet a la cosmologia progressar sobre el mateix tipus de base de la qual gaudeix la resta de la ciència, però també limita les teories que la gent s’inventava quan no hi havia prou dades per saber si eren certes o falses.

Cap ciència assoleix la maduresa sense això.