BICEP2 obtiene la primera prueba directa de la inflación cósmica

Dibujo20140417 bicep2 highL wp planck - r vs ns - cmb

El telescopio BICEP2, en el Polo Sur, diseñado para observar en el fondo cósmico de microondas las señales de la ondas gravitacionales producidas por la inflación, ha observado por primera vez un modo-B primordial. La señal observada a 3 sigmas implica que el parámetro inflacionario r es no nulo (r>0) con 7 sigmas; en concreto, su valor es r=0,20 ± 0,07. Este parámetro teórico mide el cociente entre los modos tensoriales y los escalares en la polarización del fondo cósmico de microondas (CMB). El nuevo resultado es la primera prueba directa de la inflación cósmica. Cuando el telescopio espacial Planck confirme este resultado en junio, se colocará la alfombra roja para un premio Nobel a la inflación cósmica en 2015 (o 2016). El artículo técnico es BICEP2 Collab., “BICEP2 I: Detection of B-mode polarization at degree angular scales,” arXiv:1403.3985 [astro-ph.CO], 17 Mar 2014.

Dibujo20140417 bicep2 - b signal

BICEP2 ha observado tanto modos-E como modos-B en los mapas de polarización del CMB con multipolos entre 50 < ℓ < 120. El modo-B observado tiene una relación señal/ruido bastante alta (s/n > 2 para el modo ℓ ≈ 70). El CMB está polarizado con una amplitud muy pequeña (unos pocos μK). La polarización está dominada por los modos-E cuyo espectro tiene un pico en la escala angular de 0,2 grados, es decir, mutipolos ℓ ≈ 1000. Fueron detectados por primera vez en 2002. En los modos-E se observan un tipo de modos-B debido a los efectos de lente gravitatoria cuya amplitud es 100 veces menor, pero que también se observan a ℓ ≈ 1000 (fueron detectados el año pasado por SPT y por POLARBEAR). Los modos-B de origen primordial se deben al efecto de las ondas gravitacionales producidas durante la inflación y se encuentran alrededor de ℓ ≈ 80.

Información divulgativa en este blog sobre modos-B: “El fondo cósmico de ondas gravitatorias y su detección gracias a la polarización de la radiación del fondo cósmico de microondas,” LCMF 21 May 2010, “La inflación cósmica y las anisotropías en la polarización del fondo cósmico de microondas,” LCMF 14 Oct 2010, y “Por primera vez se detecta un modo B de polarización en el fondo cósmico de microondas,” LCMF 23 Jul 2013.

BICEP2 ha observado por primera vez un modo-B primordial, la primera observación directa de la inflación cósmica. Gracias a ello se ha adelantado a los telescopios terrestres ABS, ACTpol y CLASS, a los globos sonda EBEX, SPIDER y PIPER, y al telescopio espacial Planck de la ESA. Sin lugar a dudas, en los próximos meses, todos estos experimentos confirmarán los resultados de BICEP2 (confirmar algo es más fácil que observarlo por primera vez porque se va “a tiro fijo”).

Dibujo20140417 CMB - bicep2 instrument sky covering

BICEP1 tomó datos entre 2006-2008 y su sucesor BICEP2 ha tomado datos entre 2010 y 2012. BICEP2 estudia el CMB a una frecuencia de 150 GHz (el telescopio Planck lo estudia a 9 frecuencias, incluyendo 100, 143 y 217 GHz). La región de cielo observada por BICEP2, centrada en una ascensión recta de 0h y una declinación −57,5º; esta región es pequeña, declinaciones entre −55º y −60º, y ha sido muestreada a 21 declinaciones.

Dibujo20140417 b-mode observed by bicep2

El espectro de modos-B observado muestra una señal exactamente donde el modelo ΛCDM predice que debe ser observada. El análisis detallado de la señal observada descarta que la fuente sea un error sistemático (instrumental) o el ruido debido a fuentes galácticas (polvo). Sin embargo, el valor observado para el parámetro es mucho más alto de lo esperado. Debido a ello, se puede afirmar que el modo-B observado a 5,2 sigmas implica una prueba de la inflación cósmica sólo a unas 2 sigmas. Por lo que lo importante con este nuevo descubrimiento es que anticipa que el año 2014 será el año de los modos-B.

Dibujo20140417 bicep2 polarbear - bb spectrum

Algo importante que hay que tener en cuenta es que para estimar los parámetros cosmológicos a partir de los datos de BICEP2 hay que combinarlos con los obtenidos por Planck, WMAP (su mapa de polarización pues el de Planck no está publicado) y highL (es decir, ACT y SPT que tienen mayor resolución angular que Planck). BICEP2 se ha adelantado a Planck, que publicará sus datos de polarización en junio, pero no habrá confirmación definitiva hasta entonces. Planck combinado con highL redescubrirá los modos B primordiales con toda seguridad, logrará un error mucho más bajo que BICEP2 y una mayor confianza estadística en la inflación cósmica.

Dibujo20140417 bicep2 instrument design

Esta figura el telescopio BICEP2 que está colocado en el Polo Sur junto a SPT, como muestra la figura de abajo.

Dibujo20140417 spt - bicep2 - south pole

Coda final. He escrito esta entrada muy rápido y no he tenido tiempo de presentar una versión digerible. No importa. Muchos colegas lo han hecho por mí. Recomiendo leer a Enrique Borja, “El universo saca Bicep2,” Cuentos Cuánticos, 17 Mar 2014, y a Jorge Díaz, “Descubrimiento de modos B en la polarización del CMB,” Conexión Casual, 17 Mar 2014.

19 Comentarios

Participa Suscríbete

VíctorVíctor

Francis, una vez confirmada la observación por el telescopio Planck, ¿cuál es el objeto del siguiente experimento, el BICEP3? Tengo entendido que éste hará las observaciones en la frecuencia de 100 GHz. Pero dado que Planck ya cubre en su espectro esta frecuencia, ¿no será redundante la observación? Saludos y gracias por tu blog

Andrés GuzmánAndrés Guzmán

Bueno, me sumo a la pregunta, pero hay 2 cosas que tener en cuenta. 1) redundancia no es mala, pues permite confirmar un resultado. De hecho, ojala hoy se hiciera un poco mas de ciencia de redundancia, y 2) el mapita que se muestra en la fig. 2 Planck nunca lo podria reproducir , pues no tiene la sensitividad suficiente. Son datos complementarios.

Francisco R. Villatoro

Víctor y Andrés, los detectores de polarización de microondas de baja frecuencia son muy grandes y pesados (BICEP 3 usará 2560 detectores a 100 GHz y tomará datos durante 2014 y 2015). A ras de suelo ni el peso ni el tamaño son un problema. Por ello, los telescopios de microondas en la Tierra tienen mejor resolución angular que en el espacio. Aunque sólo ven un trozo de cielo, pueden observarlo con muchísima mayor precisión. La cosmología de precisión los necesita.

Un detector como BICEP 2 en el espacio es muy costoso.

planck

Toma ya, y parecía que este año no iban a producirse descubrimientos importantes…este descubrimiento, si se confirma, puede marcar un punto de inflexión en la Física y la Cosmología. Llevabamos ya demasiado tiempo sin nuevos descubrimientos… Gibbs apunta en su post preliminar que el descubrimiento puede tener incluso implicaciones en gravedad cuántica y teoría de cuerdas puesto que los datos de Biceps2 indican que la inflación ocurrió “solo” a una escala 100 veces menor que la escala de Planck. A partir de ahora saldran decenas de estudios con las implicaciones de este descubrimiento. ¡ Hoy es un día grande para la ciencia! Además ahora podemos decir sin miedo a hacer el ridículo que probablemente vivimos en un multiverso inflacionario…
Por cierto, el parámetro r=0,2 como dice el paper está en tensión con los anteriores resultados, esto va en contra de los modelos inflacionarios más simples, el equipo de Bicep2 propone una modificación “simple” añadiendo un nuevo parámetro dinámico.
Puede que hoy se empiecen a despejar alguna de las más grandes incógnitas de la Física y la Cosmologia…

Francisco R. Villatoro

Planck, por qué dices que parecía que este año no habría ningún descubrimiento importante. Todo el mundo esperaba el descubrimiento de los modos-B primordiales en los datos del telescopio espacial Planck (si no se descubrieran en Planck sería un descubrimiento aún más importante que favorecía la teoría de cuerdas en lugar de la inflación). BICEP 2 se ha adelantado a ABS, ACTpol, CLASS, EBEX, SPIDER y PIPER, todos ellos están a punto de observar los modos-B primordiales.

planck

Bueno, es cierto, he sido muy exagerado (ni que fuera andaluz :D), debí decir “ningún descubrimiento importante antes de los datos de Planck” (por cierto, me gustaría saber que pasa ahora por la cabeza de los científicos de Planck).
Los datos de Bicep2 son impactantes tanto por lo inesperado como por el valor de r, en clara tensión con los resultados de Planck y el resto de experimentos. Veremos en que queda todo.

planck

Por cierto Francis ya habrás notado que el gráfico que adjuntas al principio es suponiendo la extensión del modelo cosmológico estándar y es solo una propuesta del equipo de Bicep2.

danieldaniel

Si me permites una crítica constructiva Francis, he leído la noticia en otro blog de divulgación y se entiende mucho mejor para los profanos en la materia, como es mi caso. Creo que deberías explicar más llanamente qué son los modos B, la relación entre la inflación y las ondas gravitacionales, las consecuencias del modelo de universo -> multiverso que se deducen de este descubrimiento y ese tipo de cosas, porque así como está, el artículo sólo lo entienden los que ya sabían del tema.

Franco valFranco val

Adhiero, que parece que la cosa viene importante pero la capacidad mental de los lectores no acompaña. :)
Que no vendría mal alguna introducción para principiantes.

Francisco R. Villatoro

Daniel, también puedes leer “El fondo cósmico de ondas gravitatorias y su detección gracias a la polarización de la radiación del fondo cósmico de microondas,” LCMF 21 May 2010, “La inflación cósmica y las anisotropías en la polarización del fondo cósmico de microondas,” LCMF 14 Oct 2010, y “Por primera vez se detecta un modo B de polarización en el fondo cósmico de microondas,” LCMF 23 Jul 2013.

planck

Si este resultado se confirma por otros experimentos puede ser el mayor descubrimiento científico en décadas. De un plumazo demostramos que la inflación existió, que las ondas gravitatorias existen y tienen una naturaleza cuántica, pasamos a conocer la escala de energía de la inflación y podemos descartar gran cantidad de modelos. Pero lo más importante y lo más increíble es que este descubrimiento nos abriría la puerta hacia el estudio de la gravedad cuántica, incluso podríamos descartar algunas compactificaciones de las dimensiones adicionales usadas en teoría de cuerdas. Liam McAllister, un experto en estos temas habla en el blog de Lubos de una nueva simetría que protegería al gravitón de acoplarse a ciertos grados de libertad a esas inmensas escalas de energía, ¡ de repente podemos detectar la huella de sucesos que ocurrieron a una escala un billon de veces mayor que la usada en el LHC !
Todo esto es demasiado bonito para ser verdad, increíblemente el descubrimiento decisivo que sacaría a la Fisica del laberinto en el que se encuentra podría venir de un pequeño telescopio en el polo sur, ya eran demasiados años sin nuevos avances. Crucemos los dedos para que Planck y el resto de experimentos ratifiquen lo que hoy a presentado el equipo de Bicep2.

Francisco R. Villatoro

Víctor, no hay nada que lo impida. La relatividad limita la máxima velocidad de propagación en el espaciotiempo, pero el propio espaciotiempo no tiene ningún límite (p.ej. ocurrió durante la inflación cósmica).

SebydeusSebydeus

Pues si el cosmos continua en inflacion, roguemos que esto no aumente las probabilidades de un choque de branas, porque desapareceria en un nuevo big bang, y claro, nosotros con junto con el.

barbadewbarbadew

Buenas Francis:
Además de dar un buen impulso al Big Bang con inflación, ¿afecta de alguna forma este descubrimiento a otras teorías?

Estaba pensando en la Gravedad Cuántica de Bucles o la Teoría de Cuerdas. Hace un tiempo leí “Antes del Big Bang (una historia completa del Universo)”, de Martin Bojowald y me gustaría saber cómo afecta este descubrimiento a las ideas de Bojowald.

Muchas gracias

Francisco R. Villatoro

No, barbadew, no afecta en nada a las ideas de Bojowald (LQG y ST/MT). Sin embargo, cuando en el futuro se tenga un mapa detallado del fondo cósmico de ondas gravitacionales (dentro de unas décadas) dará información importante sobre dichas teorías aplicadas a modelos cosmológicos.

barbadewbarbadew

¡Gracias!

Realmente Bojowald, en el libro (como dice el título) llega un momento en el que especula sobre la historia previa al Big Bang.

Como este descubrimiento parece indicar que nuestro universo surgió a partir de que la expansión del vacío se ralentiza y en esa “desacelaración” surgió la materia y radiación actual (en realidad, supongo que es más correcto decir que se generó la energía que posteriormente dio origen a la materia y radiación actual), me preguntaba cómo casar la existencia de un (presunto) universo anterior Bojowald con la expansión inflacionaria del vacío.

Como dices, nos esperan décadas apasionantes con todo esto, una enorme expansión de nuestro conocimiento.

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>