19.1 Radioastronomía y expansión del universo

Orígenes de la radioastronomía

La radioastronomía nació a finales de la década de 1930 gracias a la curiosidad de ingenieros dedicados a las telecomunicaciones. Hasta entonces, la observación astronómica se limitaba al espectro óptico y, parcialmente, al ultravioleta, infrarrojo y rayos X. Pero en 1932 Karl G. Jansky, ingeniero de Bell Telephone Laboratories, detectó por primera vez señales de radio procedentes del espacio. Este hallazgo marcó el comienzo de una nueva rama de la ciencia que permitiría estudiar el universo invisible al ojo humano.

Descubrimiento de Karl G. Jansky (1932)

Jansky construyó una antena de banda ancha para investigar interferencias en las comunicaciones transatlánticas. Sorprendentemente notó un “–zumbido–” periódico de 23 horas y 56 minutos, la duración del día sideral. En diciembre de 1932 confirmó que la señal procedía del centro de la Vía Láctea, en la constelación de Sagitario. Este fue el primer indicio de que el cosmos emitía ondas de radio de forma natural.

La radioastronomía pionera de Grote Reber (1937–1944)

El radioaficionado estadounidense Grote Reber construyó en 1937 un radiotelescopio parabólico de 9 metros en su jardín, en Wheaton, Illinois. Con él realizó el primer mapa del cielo en radiofrecuencias entre 1937 y 1944. Reber descubrió varias fuentes fuertes de radio, entre ellas Cygnus A y Cassiopeia A, e inició el «Catálogo Reber» con decenas de objetos radioastronómicos.

Desarrollo y consolidación de la radioastronomía

Interferometría y síntesis de apertura

Tras la Segunda Guerra Mundial, científicos británicos experimentaron con radars militares desactivados. Martin Ryle y Antony Hewish, en la Universidad de Cambridge, desarrollaron la técnica de interferometría y síntesis de apertura. Consistía en combinar señales de múltiples antenas separadas por decenas o cientos de metros para simular un gran reflector. Esto aumentó drásticamente la resolución angular.

• 1946: Primeros experimentos de interferometría con dos antenas en Cambridge.
• 1950–1955: Construcción del radioestéreo de 218 MHz en Cambridge de 4 × 18 metros.
• 1959: Apertura del Observatorio de Jodrell Bank en Reino Unido, con la antena Lovell de 76 m.

Radiotelescopios emblemáticos

1. Observatorio de Jodrell Bank (Reino Unido, 1957): Favoreció el estudio de los púlsares y la estructura de la Vía Láctea.
2. Radiotelescopio de Arecibo (Puerto Rico, 1963): Con 305 metros de diámetro, fue durante décadas el mayor plato fijo.
3. Very Large Array (VLA) (Nuevo México, EEUU, 1980): 27 antenas de 25 metros en disposición Y, capaces de cambiar su base de separación.
4. Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) (Chile, 2011): 66 antenas para frecuencias de 30 a 950 GHz, ideal para estudiar formación de estrellas y galaxias.

Línea de 21 cm y cartografía de la Vía Láctea

En 1951 E.M. Purcell y H. Bale descubrieron la línea de hiperfinas del hidrógeno neutro a 1 420,4058 MHz (21 cm). Este salto energético del protón en el átomo de hidrógeno permitió cartografiar la distribución del gas galáctico.

Con la línea de 21 cm se obtuvo:

• Mapa de los brazos espirales de la Vía Láctea.
• Medición de velocidades radiales gracias al efecto Doppler.
• Estimación de la masa dinámica de la galaxia y detección de materia oscura en los halos galácticos.

Expansión del universo: fundamentos ópticos y aportaciones de la radioastronomía

La ley de Hubble (1929)

Antes de la radioastronomía, Edwin Hubble había medido velocidades de recesión de galaxias con el telescopio Hooker de 2,5 metros en el Observatorio del Monte Wilson. En 1929 propuso la ley v = H₀ · d, donde v era la velocidad de recesión (km/s), d la distancia (Mpc) y H₀ la constante de Hubble. Inicialmente estimó H₀ ≈ 500 km/s/Mpc hoy se sitúa cerca de 67–74 km/s/Mpc.

Descubrimiento del fondo cósmico de microondas (1965)

La radioastronomía no solo cartografió la Vía Láctea, sino que proporcionó la segunda gran evidencia de la expansión: el Fondo Cósmico de Microondas (CMB). En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson, de Bell Labs, detectaron un ruido isotrópico en su antena de 6 m a 4 080 MHz. Inicialmente atribuible a interferencias, pronto se asoció al eco del Big Bang descrito por Gamow, Alpher y Herman en 1948.

Características del CMB:

• Temperatura media actual de 2,725 K (medida por COBE en 1989–1990).
• Espectro casi perfecto de cuerpo negro.
• Anisotropías de orden 1 parte por 100 000 mapeadas por WMAP (2001–2010) y Planck (2009–2013).

Teoría del Big Bang vs. estado estacionario

A mediados del siglo XX existían dos visiones antagónicas:

• Estado estacionario: Propuesto por Fred Hoyle, Hermann Bondi y Thomas Gold (1948). El universo es eterno y homogéneo. La creación continua de materia compensaría la expansión.
• Big Bang: Desarrollado por Georges Lemaître en 1927 y ampliado por George Gamow. El universo emergió de un estado denso y caliente, y se expande enfriándose con el tiempo.

El descubrimiento del CMB en 1965 desacreditó la teoría de estado estacionario y consolidó el modelo del Big Bang.

Tabla de fechas clave

Radioastronomía y expansión: mediciones recientes

La radioastronomía moderna contribuye al estudio de la expansión mediante:

• Observación de líneas de hidrógeno en galaxias lejanas para determinar corrimientos al rojo (redshift z) y así calcular velocidades de recesión.
• Medición de la redshift de máseres de agua en núcleos galácticos activos, especialmente en galaxias distantes, para obtener distancias cosmológicas independientes.
• Estudio de la estructura a gran escala del universo (filamentos y vacíos) combinando encuestas de radio con ópticas, como NVSS (NRAO VLA Sky Survey) y LOFAR (Low Frequency Array).

Quásares y galaxias activas en radiofrecuencias

El descubrimiento de quásares en la radioastronomía marcó otro hito:

• 1950: Allan Sandage relacionó fuentes de radio con galaxias aparentes en el óptico.
• 1963: Maarten Schmidt identificó el primer quásar (3C 273) con corrimiento al rojo z=0,158.

Los quásares son núcleos extremadamente luminosos, impulsados por agujeros negros supermasivos. Sus líneas de emisión en radio e infrarrojo han permitido trazar la evolución de la actividad galáctica a lo largo de la historia cósmica.

La radioastronomía en la era moderna

Hoy día, radiotelescopios y arrays como ALMA, SKA (Square Kilometre Array, en construcción en Sudáfrica y Australia) o el Event Horizon Telescope (EHT) emplean frecuencias desde decenas de MHz hasta THz. Se estudian:

• Formación de las primeras galaxias y estrellas (Epoch of Reionization).
• Magnetismo cósmico y campos magnéticos en cúmulos de galaxias.
• Ondas gravitacionales de baja frecuencia a través de pulsar timing arrays.
• Estructura del fondo cósmico de microondas a escalas angulares microradianes.

Constante de Hubble en radio

Las medidas de la constante de Hubble H₀ a partir de emisiones de máseres en galaxias distantes han arrojado valores de 67–70 km/s/Mpc, compatibles con estimaciones de Planck (CMB). Sin embargo, persiste la «tensión de Hubble» con medidas ópticas (74 km/s/Mpc), tema vivo de debate en cosmología.

Conclusión

La radioastronomía ha revolucionado nuestra comprensión del cosmos. Desde los primeros hallazgos de Jansky y Reber hasta los grandes arrays contemporáneos, ha proporcionado evidencias clave de la expansión del universo. La detección del fondo cósmico de microondas y el estudio de fuentes lejanas en bandas de radio confirman la teoría del Big Bang y permiten medir parámetros cosmológicos con gran precisión. La tecnología sigue avanzando: radiotelescopios más sensibles, redes globales y nuevas técnicas de interferometría prometen desvelar los misterios de la formación de estructuras y el comportamiento de la materia oscura y la energía oscura en un universo en continua expansión.

19.1 Radioastronomía y expansión del universo: Libros recomendados

• Radioastronomía (John D. Kraus, 1986)

  Manual clásico sobre los fundamentos y técnicas de radioastronomía, con un enfoque didáctico para estudiantes e investigadores. Consulta: https://example.com/kraus-radioastronomia

• Introduction to Radio Astronomy (Bernard F. Burke Francis Graham-Smith, 2012)

  Cobertura moderna de métodos, instrumentación y descubrimientos recientes en radioastronomía. Consulta: https://example.com/burke-graham-smith

• Cosmic Controversy: The Historical Development of Modern Cosmology (Helge Kragh, 1999)

  Análisis histórico de las principales teorías cosmológicas y debates científicos que llevaron al modelo del universo en expansión. Consulta: https://example.com/kragh-cosmic-controversy

• Los primeros tres minutos (Steven Weinberg, 1977)

  Introducción al modelo del Big Bang y descripción de los procesos que tuvieron lugar en los instantes iniciales de la expansión. Consulta: https://example.com/weinberg-3-minutos

• El universo inflacionario (The Inflationary Universe, Alan Guth, 1997)

  Relato del desarrollo teórico de la inflación cósmica y su papel en la formación del universo. Consulta: https://example.com/guth-inflationary-universe

• Edwin Hubble: Mariner of the Nebulae (D. J. Thompson, 1998)

  Biografía del astrónomo que descubrió la expansión del universo y estableció la ley de Hubble. Consulta: https://example.com/thompson-hubble