¿Qué es exactamente el fondo cósmico de microondas? ¿Por qué tiene forma de elipse? ¿Cómo es que estando en el medio del universo observable...

A2A*. He aludido tantas veces al fondo de microondas, aquí en Quora, y he colocado tantas veces su imagen, que moralmente me siento obligado a explicar qué es y como interpretar esa imagen. En esta respuesta voy a intentar usar términos muy elementales.

El fondo de microondas es una imagen de un esfera imaginaria. Imaginemos que considero todos los fotones que llegan a la Tierra desde una distancia de un año-luz, todos esos fotones habrán partido de una esfera imaginaria de un año-luz y serán fotones que ha viajado por el espacio durante un año. Si ahora considero una esfera imaginaria de cuatro años luz, básicamente veré que en ella aparecerán emisiones muy intensas desde alfa-centauri y habrá una mancha brillante en la posición de alfa-centauri (ya que esa estrella está situada a unos cuatro años-luz). Si considero una esfera formada por todos los fotones que han estado viajando por el universo durante digamos 13800 millones de años (la edad del universo), entonces tengo una esfera imaginaria que contiene todos los objetos visibles desde la Tierra, siendo esa esfera el "fondo" de todas las cosas observables ahora mismo. Cualquier objeto astronómico situado más allá de esa esfera será invisible para los terrícolas porque la luz emitida desde ellos aún no habrá tenido tiempo suficiente para alcanzar la Tierra. Es por esta razón que llamamos "fondo" a esa esfera imaginaria. El caso es que esa esfera dado que el universo se ha estado expandiendo, mientras esos fotones viajaban dentro de ella durante 13800 millones de años se ha expandido y ahora tiene un diámetro mayor [por eso el universo observable tiene un radio superior a 13800 millones de años-luz, de hecho, hemos calculado que ahora esa esfera desde la que partieron algunos de los primeros fotones del universo tiene 46500 millones de años-luz, esto lo estimamos por cálculo no por medición directa!]. La imagen de ese fondo fue obtenida sólo a finales del siglo XX, en 1992 y era un poco tosca. En 2001 la misión WMAP obtuvo esta imagen más detallada de dicho fondo:

La imagen es una reconstrucción de muchas medidas, del WMAP no es una fotografía "directa". En seguida surge la idea, si hablábamos de una esfera, ¿cómo es que esa imagen es unas elipse? La respuesta es que para representar una superficie esférica en un plano 2D usualmente realizamos una proyección cartográfica Mollweide:

Así que esencialmente la "elipse" de colorines es una representación de la esfera imaginaria desde la que se emitieron los fotones más antiguos que podemos ver en nuestro universo.

Vamos con los colores. La imagen obtenida por la misión WMAP del fondo de microondas presenta zonas cálidas (rojo) y zonas frías (azules). En la imagen del WMAP las zonas más rojas están +0,00002 ºC más calientes que el promedio y las zonas más frías están -0,00002 ºC más frías que el promedio. Por lo tanto, el fondo nos muestra que miremos en la dirección que miremos la temperatura estimada de dicho fondo es muy muy muy pero muy uniforme con sólo pequeñísimas variaciones, que son las que muestra el mapa (luego explico por qué estudiar esas microvariaciones fue superimportante para determinar la forma global del universo). La temperatura promedio fue 2,725 K (es decir, -270,425 ºC) lo cual muestra que dicho fondo está muy frío. Obviamente cuando se emitieron esos fotones el universo estaba muy caliente y la temperatura estimada actualmente corresponde a la temperatura actual. Cualquier mente despierta se preguntará como es que podemos estimar la temperatura actual observando fotones de hace casi 13800 millones d gre años, y como podemos saber la temperatura de algo tan lejano. La respuesta nos la da la teoría del cuerpo negro. La mecánica cuántica nos permite encontrar la temperatura de un objeto observando los fotones que nos llegan de ese objeto (cualquier cuerpo a cualquier temperatura emite fotones térmicos!). Así que el WMAP se limitó a observar fotones procedentes del "fondo" y a ver que distribución de frecuencias tenían para diferentes puntos, encontró algo así:

El gráfico en realidad corresponde a los datos de la misión COBE de 1992, pero los datos para la misión WMAP son esencialmente idénticos (de hecho, más precisos). A partir de ese gráfico la teoría del cuerpo negro nos llevó a estimar que los fotones observados desde el fondo corresponden a una temperatura promedio equivalente a 2,725 K (-270,425 ºC), eso significa que la mayor parte de los fotones detectados desde el fondo eran fotones con frecuencias en el rango de las microondas, de ahí surgió el nombre de radiación de fondo de microondas. Si examinamos direcciones específicas dentro del fondo llegamos a observar que las regiones calientes estaban cerca de 2,72502 K y las regiones más frías cerca de 2,72498 K. La diferencia entre la temperatura promedio y la temperatura observada en cierta dirección es lo que da los colorines.

¿Qué podemos saber a partir del estudio del fondo? Aquí la lista de cosas es muy larga, restringiéndome a las más importantes, a partir de cálculos sobre el fondo de microondas hemos calculado que la composición de nuestro universo es 4,82±0,05% materia ordinaria, 25,8±0,4% materia oscura y 69±1% energía oscura. Además estudiando las anisotropías (el granulado de manchitas de colores) se ha determinado que globalmente el universo tiene una curvatura promedio muy cercana a cero [por lo que a grandes rasgos es un universo euclídeo que se expande, localmente sí habría curvaturas gravitatorias que harían que no fuera exactamente euclídeo]. Si el fondo hubiera tenido curvatura negativa el granulado habría sido mas fino, si el fondo hubiera tenido curvatura positiva habría resultado un granulado más grueso, pero parece que el granulado observado es más o menos el que esperaríamos para un universo con curvatura global muy cercana a cero.