El hallazgo de los modos-B de polarización en el fondo cósmico de microondas apoya la existencia de ondas gravitatorias primordiales y la inflación cósmica.
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Tanto han tardado los de la misión Planck en reducir o publicar sus datos que otro experimento se le ha adelantado a la hora de anunciar los modos-B de polarización en el fondo cósmico de microondas (FCM), lo que viene a significar que ya hay una prueba más o menos directa de la inflación cósmica y quizás del multiverso.
El experimento en cuestión es BICEP2 y opera en la Antártida desde la estación Amundsen-Scott. BICEP2 es un radiotelescopio especialmente diseñado para observar el estado de polarización del fondo cósmico de microondas. Se encuentra en la Antártida porque allí el aire es frío, seco y estable, lo que lo hace ideal para este tipo de observaciones.
Se han observado tantos modos-E como modos-B de polarización, pero estos segundos son mucho más débiles y, por tanto, difíciles de medir. Pero también son los más interesantes.
Las ondas electromagnéticas están compuestas un campo eléctrico (E) y un campo magnético (B) que oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación. La polarización priorizan determinadas direcciones de oscilación frente a otras según el tipo de polarización que se trata, en lugar de darse todas las direcciones posibles para esas oscilaciones.
Los patrones de polarización en el fondo cósmico de microondas pueden ser descompuestos en dos componentes: modos-E y modos-B. El modo-E corresponde al caso en el que la polarización es paralela o perpendicular a la oscilación y el modo-B cuando se da a 45 grados de la misma. Las perturbaciones en densidad de materia generan sólo modos-E, mientras que las ondas gravitacionales generan tanto modos-E como modos-B.
Además, el modo-E es como el campo eléctrico, es un modo de tipo gradiente de rotacional nulo y el modo-B es un modo de divergencia nula al estilo del campo magnético (*). El modo-E se puede deber tanto a perturbaciones escalares como tensoriales, pero el modo-B sólo se debe a perturbaciones vectoriales y tensoriales (**). Pero las ondas gravitatorias inducirían precisamente perturbaciones de este último tipo porque estiran y encogen el espacio en direcciones ortogonales. Por tanto, los modos-B del FCM dicen mucho sobre cómo fue la inflación gracias al efecto de las ondas gravitacionales generadas durante la propia inflación. Por eso, a pesar de ser más débiles, son más interesantes.
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Se cree que los modos-B primordiales observados se deben al efecto de las ondas gravitacionales producidas durante la inflación. Es la primera vez que se observan modos-B de origen primordial sin dudas, pero se espera que en junio se confirme este punto a partir de los datos de la misión espacial Planck.
Hay otros modos-B que no son de origen primordial, como los creados por lentes gravitatorias, que ya han sido observados por otros equipos.
Aquí se puede ver el mapa que han realizado los implicados de BICEP2 con los datos de polarización obtenidos.
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Para poder anunciar hoy este resultado, los investigadores de BICEP2 han pasado tres años reduciendo datos y eliminado ruido de una señal que es muy débil y que está afectada, entre otras cosas, por el polvo de nuestra propia galaxia. Otros expertos no esperaban que fuera posible alcanzar este resultado con BICEP2.
Lo interesante es que estos modos-B observados muestran un espectro tal y como se predice por el modelo ΛCDM, modelo de Big Bang en el que se considera una constante cosmológica y materia oscura fría. Es el modelo estándar del Big Bang que se puede extender añadiendo la inflación cósmica.
Según los datos que se disponen ahora mismo no se puede confirmar plenamente dicha inflación cósmica según se tenía entendida hasta ahora, porque la señal observada es más intensa de lo esperado. Esto implica que las ondas gravitatorias generadas durante la inflación fueron más potentes de lo que se había propuesto. La significación estadística es, por tanto, de sólo 2 sigmas para el modelo tradicional. Pero esta señal más intensa apoya precisamente los modelos inflacionarios más simples.
Pese a todo, este resultado es el mejor apoyo hasta la fecha del modelo inflacionario y posiblemente merecedor del premio Nobel.
Habrá que combinar estos datos con los que el equipo de Planck publique en junio. A partir de entonces se podrán determinar bastante bien los parámetros cosmológicos.
Se cree que a una fracción de segundo minúscula (10-35 s) después del momento cero del Big Bang se produjo una expansión exponencial del Universo de tal modo que cualquier volumen de universo creció 20 órdenes de magnitud. Esto implicaría la aceleración de masas, lo que produciría ondas gravitatorias según la Relatividad General. Estas ondas son distorsiones en el espacio que se propagan a la velocidad de la luz.
Las ondas gravitatorias tendrían un efecto sobre el fondo cósmico de microondas al cambiar la polarización de las microondas, que es lo que se ha medido con BICEP2.
Para hacernos una idea, según estas medidas, la sopa de partículas que en aquel entonces atravesaban las ondas gravitatorias estaba compuesta por partículas con una energía de 1016 GeV, lo que equivale a una temperatura enorme.
La hipótesis de la inflación fue propuesta en los ochenta por Alan Guth para resolver los problemas de planitud y homogeneidad del Universo. Vemos que el Universo parece plano y que es muy homogéneo. Pero si consideramos un Big Bang sin inflación el Universo no tendría que ser necesariamente plano y sus distintas partes no habrían tenido tiempo de ponerse de acuerdo (según la velocidad de la luz) para tener casi la misma temperatura en todas partes y según toda dirección. La inflación aplasta el Universo y amplifica una pequeña parte (lo que vemos) que sí estaba ya termalizada a la misma temperatura.
Esto significa que el Universo observable es una pequeñísima parte de lo que una vez se infló exponencialmente. No podemos ver más allá de la frontera causal porque seguimos expandiéndonos, aunque no tan rápido como durante la inflación. Pero esto significa que el Universo es mucho más grande y posiblemente infinito.
La hipótesis de la inflación también sugiere que hay un multiverso. Antes de la inflación habría un estado de falso vacío que cayó a un estado de inferior energía, lo que alimentó la inflación. Pero ese estado de falso vacío puede caer muchas veces, posiblemente infinitas, en otras burbujas de inflación que crean otros universos, cada uno con sus propias leyes físicas. Guth y otros físicos del ramo proponen que esto se da constantemente en una inflación eterna en la que se crean burbujas de universo continuamente.
Vivimos en una de esas burbujas que se expandirá continuamente hasta que todo quede completamente diluido: un universo oscuro, frío y sin vida. Pero si esta idea de la inflación eterna es cierta, entonces no importa, pues se irán creando otras burbujas, algunas pocas de la cuales tendrán la física necesaria para que lo que llamamos “vida” aparezcan, que haya seres que mediten sobre estas cosas y que ese universo pueda pensar sobre sí mismo, su inicio y su final.
Actualización:
(*) El nombre de modos-B o modos-E es por analogía y porque matemáticamente se comportan como el campo magnético y el campo eléctrico, pero hablamos de direcciones del plano de polarización, no de los campos eléctrico y magnético en sí.
Naturalmente, a la hora de hacer números a partir de los datos hay que bajar a conceptos matemáticos como el rotacional o la divergencia. Estos operadores no sólo se utilizan en electromagnetismo, sino que se usan en toda la Física porque describen cómo se comporta un sistema, por ejemplo un fluido. En este ejemplo nos dan cómo son los ritmos de cambio, si sólo es escalar (como un campo de temperatura) o si hay direcciones de flujo o hay remolinos.
En el caso del FCM que nos atañe nos distinguen entre los dos modos de polarización, en concreto sobre la orientación de los planos de polarización, sobre todo en el caso de los modos-B, que son muy débiles (100 veces) comparados con los modos-E.
La inflación generó ondas gravitacionales y estas se propagaron y se propagan desde entonces. Digamos que el espacio-tiempo presenta desde entonces esas arrugas espaciales en propagación. En la época de la recombinación (cuando se liberó lo que sería el FCM) estas arrugas afectaban el espacio, no sólo en direcciones vectoriales, sino en direcciones tensoriales porque las ondas gravitatorias estrujan el espacio en más de una dirección. Afectaban mucho más que ahora porque el espacio no se había expandido tanto.
La luz (o las ondas electromagnéticas) es polarizada por la materia debido a fenómenos de dispersión (scattering). Es similar a lo que le ocurre a la luz del sol cuando atraviesa la atmósfera terrestre. La luz azul del cielo está polarizada, como todo usuario de gafas polarizadas puede comprobar. Algo similar pasó en la época de la recombinación. Los fotones eran libres, pero eran difundidos por el gas de electrones que había en esa época (scattering Thomson) y por eso adquirieron cierto grado de polarización. La orientación de esa polarización se vio afectada por las ondas gravitatorias al distorsionar el espacio, ondas que entonces eran lo suficientemente intensas y no tan corridas al rojo como son ahora.
Los modos-B corresponden a las direcciones tensoriales y, en principio, sólo se pueden explicar por la presencia de ondas gravitatorias (el polvo galáctico y las lentes gravitatorias complican este asunto). Lo fuerte que sea la parte tensorial nos dice lo fuerte que eran las ondas gravitatorias y, por tanto, lo fuerte que fue la inflación. Si se divide la parte tensorial de lo observado por la parte escalar se obtiene la siguiente razón: r=0,2 (+0,07, -0,05), que es el parámetro buscado en todo esto. Ese valor calculado por los chicos de BICEP2 se obtiene con una gran significación estadística y está por encima de lo esperado. Eso nos dice lo poderosa que fue la inflación.
Lo bonito es que, por primera vez, hemos podido ver más allá de la época de la recombinación. Una época en donde no había átomos ni las partículas que conocemos.
(**) Rotacional y gradiente hacen referencia a propiedades matemáticas de cálculo vectorial, cómo unas expresiones en derivadas parciales actúan sobre un magnitud. Su valor final nos habla de la naturaleza de la magnitud en cuestión. Escalar, vectorial y tensorial hacen referencia a propiedades algebraicas según las cuales los valores de un campo en un punto son un número, un vector o una matriz. En este contexto dan cuenta de la densidad, de la vorticidad y, finalmente, de la tensorialidad introducida por las ondas gravitacionales.
La “dirección” y “sentido” de un tensor no puede dibujarse en general con una flecha como cuando se hace con un vector. Para describirlo matemáticamente se usa generalmente una matriz (incluso a veces con tensores de 3 o más subíndices o superíndices).
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4380 [1]
Fuentes y referencias:
Web de BICEP2 [2]
Artículos de BICEP2. [3]
Artículo original sobre los modos B. [4]
Foto y gráfico: BICEP2 Collaboration.