Físico y radioastrónomo alemán nacionalizado norteamericano. De origen judío, en 1938 su familia fue deportada a Polonia por el régimen nazi; años más tarde emigró a los Estados Unidos. Tras estudiar en el City College de Nueva York, Arno Allan Penzias ingresó en la Universidad de Columbia, por la que se doctoró en física en 1962. Un año antes había sido contratado por los laboratorios de la Bell Telephone en New Jersey, donde formó parte de los equipos de investigación que trabajaban en el estudio de las ondas de radio.
En colaboración con Robert W. Wilson, en 1964 descubrió un fenómeno susceptible de ser interpretado como prueba convincente a favor de la explicación del origen del universo proporcionada por la teoría del big bang. Ambos radioastrónomos detectaron un ruido constante de fondo que carecía de un origen específico y parecía proceder del firmamento en todas direcciones, el cual podía interpretarse como el resto o residuo de la gran explosión o big bang que dio origen al universo.
Investigaciones posteriores pusieron de manifiesto que se trataba de una radiación (actualmente conocida como radiación de fondo) con una temperatura de -276 °C (-465 °F); este valor correspondía al que teóricamente debería haber alcanzado, al enfriarse, la radiación procedente de la formación del universo hace unos 10.000 o 13.000 millones de años. Por este descubrimiento Penzias y Wilson fueron galardonados en 1978 con el premio Nobel de Física, que compartieron con el físico ruso Piotr Leonidovich Kapitsa.
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