Los neutrinos del Big Bang tienen un origen más cercano que la radiación de fondo de microondas.

Las observaciones del fondo de microondas de 380.000 años después del Big Bang han sido esenciales para la cosmología moderna, pero los neutrinos originados justo después del Big Bang llevarían información sobre el estado del universo cuando tenía menos de un segundo. En el número del 23 de octubre de Physical Review Letters (aunque ya disponible en arXiv) un par de investigadores apunta un hecho curioso, pero hasta ahora ignorado, acerca de estos neutrinos residuales: debido a sus masas, viajan más lentamente que la luz y, de hecho, tienen como origen una región del universo más cercana que la radiación de fondo de microondas (CMB, por sus siglas en inglés). Aunque para la detección de estos neutrinos residuales todavía falta mucho (suponiendo que sea posible), el artículo publicado por Mika Vesterinen de la Universidad de Manchester (Reino Unido) y Scott Dodelson del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (EE.UU.) clarifica el tipo de información que se puede extraer de esos neutrinos.

Justo después del Big Bang el universo era una sopa caliente en ebullición de partículas elementales interactuando constantemente unas con otras. Conforme el universo se expandía y enfriaba, algunas partículas podían propagarse libremente largas distancias sin interactuar. Los neutrinos, a los que sólo afecta la fuerza nuclear débil que actúa a distancias muy cortas, se libraron de las interacciones pronto, menos de un segundo después del Big Bang, y viajan libres desde entonces (en el tiempo que lees esto unos cuantos billones han atravesado la pantalla de tu ordenador y a ti).

La CMB está compuesta de fotones, partículas que dejaron de interactuar mucho más tarde, en el momento en que los protones y los electrones empezaron a combinarse para formar átomos neutros, cuando el universo tenía 380.000 años. Este tiempo permite calcular que la CMB se origina a una distancia de la Tierra de más de 40.000 millones de años luz, teniendo en cuenta la expansión del universo. Dado que los neutrinos se “liberaron” mucho antes, estaba asumido que debían originarse en rincones del universo más lejanos que los de la CMB.

Pero los fotones no tienen masa, mientras que los neutrinos tienen una pequeña cantidad de masa, lo que hace que viajen más lentamente que la luz. Dodelson y Vesterinen han calculado cómo afectaría esta masa de los neutrinos a la distancia que estos neutrinos residuales han viajado desde la última vez que interactuaron.

Sus resultados son sorprendentes: si bien los neutrinos residuales han estado viajando durante más tiempo que la CMB, su velocidad menor significa que han cubierto una distancia mucho menor. El fondo de neutrinos (CNB, por sus siglas en inglés) se origina a una distancia de unos mil a diez mil millones de años luz, mucho más cerca que los 40 mil millones de años luz de la CMB. Si esto parece difícil de imaginar, recordemos que la “sopa de partículas” del universo primitivo estaba en todas partes, y los neutrinos residuales que llegan a nosotros hoy simplemente vienen de diferentes localizaciones en ese universo que los fotones más rápidos del CMB. Dodelson llega a decir que este cálculo debería haber estado en los libros de texto hace tiempo, pero que es algo que nadie se había parado a calcular.

Los cálculos indican que los neutrinos residuales se originan en un rango de distancias en el que las búsquedas astronómicas están dando muchísima información. El Sloan Digital Sky Survey (Rastreo digital del cielo Sloan) está llevando a cabo observaciones detalladas de las galaxias y cúmulos de galaxias que habitan estas regiones, y los próximos Dark Energy Survey (Rastreo de materia oscura) y Large Synoptic Survey Telescope (Gran telescopio de rastreo sinóptico) añadirán muchos más datos.

Si se consigue medir con precisión la CNB alguna vez esto permitiría a los cosmólogos unir los puntos entre las mismísimas “semillas” primitivas de estas regiones (tal y como aparezcan en el CNB) y las galaxias y cúmulos de galaxias que se formaron después. Una comparación como esta ayudaría muchísimo a comprender algunas propiedades del universo primitivo, como su contenido en materia y energía oscuras.

[En la imagen, primera observación de un neutrino]

Referencia:

Scott Dodelson, & Mika Vesterinen (2009). Cosmic Neutrino Last Scattering Surface Physical Review Letters arXiv: 0907.2887v1