¿Por qué podemos observar el Fondo Cósmico de Microondas sin importar en qué dirección miremos?

Hasta que el Universo tuvo 380.000 años, estuvo lleno de un gas de protones y electrones. También había radiación, en equilibrio térmico con la materia, y como estaba tan caliente, los protones y electrones no podían formar hidrógeno neutro, ya que cada vez que "intentaba", un fotón energético derribaba al electrón.

Este gas estaba en todas partes. Y los fotones viajaron y se dispersaron en todas direcciones:

^{Los fotones ( púrpura ) se dispersan en electrones libres ( verde ), y ambos se mezclan con protones ( rojo ).}

380.000 años después del Big Bang, la temperatura había descendido lo suficiente como para que se pudieran formar átomos neutros (esto se llama recombinación ). La radiación, que hasta ahora se había dispersado continuamente sobre los electrones libres, ahora podía fluir libremente entre los átomos (esto se llama desacoplamiento ).

Así lo hicieron. Todavía en todas las direcciones:

Esta transmisión gratuita todavía se está llevando a cabo. Los fotones viajan en todas direcciones y están en todas partes. Los fotones que pueden ver son los que comenzaron a una distancia particular de ustedes y en una dirección particular, pero otros fotones comenzaron a distancias más pequeñas y más grandes y en otras direcciones. Simplemente no los ves, porque resulta que estás justo aquí . Pero una persona en otro lugar del Universo vería lo mismo que tú.

Los fotones que observamos como CMB provienen de una región que llamamos superficie de última dispersión , porque corresponde a la superficie de una capa centrada en nosotros. Pero no hay nada especial en esta "superficie", excepto que se compone de todos los puntos del Universo que están tan lejos de nosotros que un fotón tarda aproximadamente 13.800 millones de años en viajar. Y debido a la expansión, estos puntos ahora están a aproximadamente 47 mil millones de años luz de nosotros.

En la siguiente figura, las flechas muestran fotones CMB. Todos tienen la misma longitud; comienzan donde fueron emitidos y terminan donde están hoy. Lo que observamos como CMB son todas flechas que terminan en la Vía Láctea (en el centro). Otros observadores pueden observar otras flechas en otras galaxias que tienen su propia superficie de última dispersión a su alrededor.

Sí. Es por eso que llamamos al CMB isotrópico hasta hace una o dos décadas; isotrópico que significa ' lo mismo en todas las direcciones '. Desde entonces, hemos tenido la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson y sus sucesores, que muestran ligeras diferencias dependiendo de hacia dónde apuntemos nuestra antena. Podemos medir fácilmente nuestra velocidad con respecto a esta radiación de fondo casi uniforme: Acelerando a través del universo . Restando eso, obtenemos datos WMAP corregidos por velocidad que muestran puntos calientes y fríos . Es por eso que ahora llamamos al CMB anisotrópico.

Cualquiera que sea la dirección en la que miremos en el universo, estamos mirando hacia atrás en el tiempo. Si observamos una galaxia que es$10$millones de años luz de distancia, entonces estamos observando fotones que fueron emitidos$10$hace millones de años Si observamos una galaxia que es$1$mil millones de años luz de distancia, entonces estamos observando fotones que fueron emitidos$1$hace mil millones de años.

Y cuanto más nos alejamos en la distancia (y más atrás en el tiempo), más se desplazan hacia el rojo los fotones debido a la expansión del universo mientras los fotones estaban en vuelo.

Eventualmente, en todas las direcciones, llegamos al punto donde observamos los fotones que fueron emitidos$380,000$años después del Big Bang. Cualquier fotón emitido antes de esto habrá sido dispersado por el gas ionizado que llenó el universo antes de este momento. Entonces, los fotones más antiguos que podemos observar en cualquier dirección son fotones emitidos$380,000$años después del Big Bang. Estos fotones se han desplazado hacia el rojo a longitudes de onda de microondas, por lo que forman lo que llamamos radiación de fondo cósmico de microondas o CMBR.