La radiación de fondo de microondas es una forma de radiación electromagnética descubierta en 1965 que llena el universo por completo. También se denomina radiación cósmica de microondas, radiación cósmica de fondo o radiación del fondo cósmico.
Tiene características de radiación de cuerpo negro a una temperatura de 2,725 K y su frecuencia pertenece al rango de las microondas con una frecuencia de 160,2 GHz, lo que se corresponde con una longitud de onda de 1,9 mm. Esta radiación es una de las pruebas principales del modelo cosmológico del Big Bang.
Características thumb|300px|El espectro de la radiación de fondo de microondas medido por el instrumento FIRAS en el satélite COBE es el espectro de cuerpo negro medido con más precisión en la naturaleza. Las variables y el error estándar están ocultos por la curva teórica.
La radiación de fondo de microondas es isótropa hasta una parte entre 105: las variaciones del valor eficaz son solo 18 µK.Esto ignora la anisotropía del dipolo eléctrico, que se debe al efecto Doppler de la radiación de fondo de microondas debido a nuestra velocidad peculiar relativa a la estructura cósmica inmóvil. Esta característica es consistente con la Tierra moviéndose a unos m/s hacia la constelación de Virgo. El espectrofotómetro FIRAS (en inglés The Far-Infrared Absolute Spectrophotometer) en el satélite COBE de la NASA ha medido cuidadosamente el espectro de la radiación de fondo del microondas. El FIRAS comparó el CMB (en inglés Cosmic Microwave Background) con un cuerpo negro de referencia y no se pudo ver ninguna diferencia en sus espectros. Cualquier desviación del cuerpo negro que pudiera permanecer sin detectar en el espectro del CMB sobre el rango de longitudes de onda desde 0,5 a 5 mm tendría que tener un valor de unas 50 partes por millón del pico de brillo del CMB.D. J. Fixsen y otros, "The Cosmic Microwave Background Spectrum from the full COBE FIRAS data set", Astrophysical Journal 473, 576–587 (1996). Esto hizo del espectro del CMB el cuerpo negro medido de manera más precisa en la naturaleza.
Esta radiación es una predicción del modelo del Big Bang, ya que según este modelo, el universo primigenio era un plasma compuesto principalmente por electrones, fotones y bariones (protones y neutrones). Los fotones estaban constantemente interactuando con el plasma mediante la dispersión de Thomson. Los electrones no se podían unir a los protones y otros núcleos atómicos para formar átomos porque la energía media de dicho plasma era muy alta, por lo que los electrones interactuaban constantemente con los fotones mediante el proceso conocido como dispersión Compton. A medida que el universo se fue expandiendo, el enfriamiento adiabático (del que el corrimiento al rojo cosmológico es un síntoma actual) causó que el plasma se enfriara hasta que fue posible que los electrones se combinaran con los protones y formaran átomos de hidrógeno. Esto ocurrió cuando este alcanzó los K, unos años después del Big Bang. A partir de ese momento, los fotones pudieron viajar libremente a través del espacio sin rozar (sin llegar a unirse) con los electrones dispersos. Este fenómeno es conocido como era de la recombinación; la radiación de fondo de microondas es precisamente el resultado de ese periodo. Al irse expandiendo el universo, esta radiación también fue disminuyendo su temperatura, lo cual explica por qué hoy en día es solo de unos 2,7 K. La radiación de fondo es el ruido que hace el universo. Los fotones han continuado enfriándose desde entonces, actualmente han caído a K y su temperatura continuará cayendo según se expanda el universo. De la misma manera, la radiación del cielo que medimos viene de una superficie esférica, llamada superficie de la última dispersión, en la que los fotones que se descompusieron en la interacción con materia en el universo primigenio, hace 13 700 millones de años, están observándose actualmente en la Tierra. El modelo del Big Bang sugiere que el fondo de radiación cósmico rellena todo el espacio observable y que gran parte de la radiación en el universo está en el CMB, que tiene una fracción de aproximadamente 5·10-5 de la densidad total del universo.La densidad de energía de un espectro de cuerpo negro es , donde T es la Temperatura, es la constante de Boltzmann, es la constante de Planck y c es la velocidad de la luz. Esto se puede relacionar con la densidad crítica del universo utilizando los parámetros del modelo Lambda-CDM.
Dos de los grandes éxitos de la teoría del Big Bang son sus predicciones de este espectro de cuerpo negro casi perfecto y su predicción detallada de las anisotropías en el fondo cósmico de microondas. El reciente WMAP ha medido precisamente estas anisotropías sobre el cielo por completo a escalas angulares de 0,2°.Astrophysical Journal Supplement, 148 (2003). En particular, G. Hinshaw y otros «Primer año de observaciones del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP): el espectro de potencia angular», 135–159. Estas se pueden utilizar para estimar los parámetros del modelo Lambda-CDM estándar del Big Bang. Alguna información, como la forma del universo, se puede obtener directamente del CMB, mientras otros, como la constante de Hubble, no están restringidos y tienen que ser inferidos de otras medidas.D. N. Spergel et al., «Primer año de observaciones del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP): determinación de parámetros cosmológicos», Astrophysical Journal Supplement 148, 175–194 (2003).
Historia Esta radiación fue predicha por George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman en 1948. Es más, Alpher y Herman pudieron estimar que la temperatura del fondo de radiación de microondas era 5 K, aunque dos años después, la reestimaron en 2.8 K.G. Gamow, «El origen de los elementos y la separación de las galaxias», Physical Review 74 (1948), 505. G. Gamow, "La evolución del Universo", Nature 162 (1948), 680. R. A. Alpher y R. Herman, «Sobre las abundancias relativas de los elementos», Physical Review 74 (1948), 1577. Aunque había varias estimaciones previas de la temperatura del espacio (ver cronología), estas tenían dos defectos. En primer lugar, fueron medidas de la temperatura efectiva del espacio y no sugieren que el espacio fue rellenado con un espectro de Planck térmico. Y en segundo lugar, son dependientes de nuestro lugar especial en el extremo de la Vía Láctea y no sugieren que la radiación es isótropa. Además, produciría predicciones muy diferentes si la Tierra estuviera localizada en cualquier otro lugar del universo.A. K. T. Assis, M. C. D. Neves, «Historia de la Temperatura de 2,7 K antes de Penzias y Wilson», (1995, PDF | HTML) pero ver también N. Wright, «Eddington no predijo el CMB», .
Los resultados de 1948 de Gamow y Alpher no fueron ampliamente discutidos. Sin embargo, fueron redescubiertos por Robert Dicke y Yakov Zel'dovich a principios de los años 1960. La primera apreciación de la radiación del CMB como un fenómeno detectable apareció en un breve artículo de los astrofísicos soviéticos A. G. Doroshkevich e Igor Dmitriyevich Novikov, en la primavera de 1964. En 1964 David Todd Wilkinson y Peter Roll, y los colegas de Dicke en la Universidad de Princeton, empezaron a construir un radiómetro de Dicke para medir el fondo de radiación de microondas.R. H. Dicke, "The measurement of thermal radiation at microwave frequencies", Rev. Sci. Instrum. 17, 268 (1946). Este diseño básico para un radiómetro se ha utilizado en más experimentos posteriores del fondo de radiación de microondas. thumb|La antena de bocina en Holmdel en la que Penzias y Wilson descubrieron la radiación de fondo de microondas.En 1965 Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson en los Laboratorios Bell de Crawford Hill cerca de Holmdel Township (Nueva Jersey) habían construido un radiómetro Dicke que intentaron utilizar para radioastronomía y experimentos de comunicaciones por satélite. Su instrumental tenía un exceso de temperatura de ruido de 3,5 K con el que ellos no contaban. Después de recibir una llamada telefónica de Crawford Hill, Dicke dijo la gracia: «Chicos, nos han robado».A. A. Penzias y R. W. Wilson, "A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s," Astrophysical Journal 142 (1965), 419. R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll y D. T. Wilkinson, "Cosmic Black-Body Radiation," Astrophysical Journal 142 (1965), 414. La historia se cuenta en P. J. E. Peebles, Principles of physical cosmology (Princeton Univ. Pr., Princeton 1993). Un encuentro entre los grupos de Princeton y Crawford Hill determinó que la temperatura de la antena fue inducida debido al fondo de radiación de microondas. Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física de 1978 por su descubrimiento.
La interpretación de la radiación de fondo de microondas fue un tema controvertido en los años 1960 entre los defensores de la teoría del estado estacionario argumentando que el fondo de microondas era el resultado de la luz dispersada de las estrellas procedente de las galaxias distantes. Utilizando este modelo y basado en el estudio de la absorción reducida de líneas que caracteriza el espectro de las estrellas, el astrónomo Andrew McKellar escribió en 1941: «Se puede calcular que el rotacional de temperatura del espacio interestelar es 2 K».A. McKellar, Publ. Dominion Astrophys. Obs. 7, 251. Sin embargo, durante los años 1970 el consenso fue que la radiación de fondo de microondas es un remanente del Big Bang. Esto fue en gran parte porque las nuevas medidas en un rango de frecuencias demostraron que el espectro era un térmico, cuerpo negro, un resultado que el modelo del estado estacionario no podía reproducir.
Harrison, Peebles y Yu, y por otra parte Zel'dovich se dieron cuenta de que el Universo primigenio tendría que tener inhomogeneidades en un nivel de 10-4 o 10−5.E. R. Harrison, «Fluctuaciones en el umbral de la cosmología clásica», Phys. Rev. D1 (1970), 2726. P. J. E. Peebles y J. T. Yu, «Las perturbaciones adiabáticas vírgenes en un Universo en expansión», Astrophysical Journal 162 (1970), 815. Ya. B. Zel'dovich, «Una hipótesis, unificando la estructura y la entropía del Universo», Noticias mensuales de la Real Sociedad Astronómica 160 (1972). Rashid Siunyáiev después calculó la huella observable que estas inhomogeneidades tendrían en el fondo de radiación de microondas.R. A. Siunyáiev, «Fluctuaciones del fondo de radiación de microondas», en Estructuras a Gran Escala del Universo ed. M. S. Longair y J. Einasto, 393. Dordrecht: Reidel 1978. Mientras que este es el primer artículo que discute en detalle la huella observacional de las inhomogeneidades de densidad como anisotropías en el fondo de radiación de microondas, parte del trabajo de campo fue presentado en Peebles y Yu, arriba. Incrementalmente los límites estrictos de la anisotropía del fondo de radiación de microondas fueron establecidos por experimentos basados en la tierra, pero la anisotropía se detectó por primera vez por el Radiómetro de Microondas Diferencial en el satélite COBE.George F. Smoot y otros. «Estructura en el COBE DMR durante el primer año de mapas», Astrophysical Journal 396 L1–L5 (1992). C. L. Bennett y otros. "Cuarto año de observaciones del fondo de radiación de microondas en el COBE DMR: mapas y resultados básicos.", Astrophysical Journal 464 L1–L4 (1996).