Naukas Bilbao 2014: “Un buen polvo para un futuro Premio Nobel”

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Ya puedes disfrutar del vídeo de mi charla de 10 minutos “Un buen polvo para un futuro Premio Nobel” en Naukas Bilbao 2014. Como siempre una transcripción libre del audio para que te sea más fácil seguir el contenido.

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Al fondo se observan BICEP2 y SPT, estando en primer plano QUaD. Gracias Jorge Diaz @jsdiaz_ por haberlo notado en Twitter.

“Somos polvo de estrellas.” Dijo Albert D. Watson, Presidente de la Real Sociedad Astronómica de Canadá, en 1918, mucho antes de que naciera Carl Sagan. Y polvo de estrellas podría ser la señal de modos B observada en la polarización del fondo cósmico de microondas por el telescopio BICEP2, situado en el Polo Sur, encima del detector de neutrinos IceCube. Una de las grandes noticias científicas del año 2014, una noticia viral donde las haya.

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Todavía no sabemos si estos modos B son cosmológicos, debidos a las ondas gravitacionales originadas durante la inflación cósmica, o si son resultado de la emisión térmica polarizada del polvo interestelar que rodea nuestra galaxia. Pero lo que sabemos es que si se confirma la existencia de los modos B de origen cósmico (el parámetro llamado r es mayor de cero) habrá un Premio Nobel de Física para la inflación cósmica.

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Los fotones del fondo cósmico de microondas que observamos ahora mismo han recorrido el universo durante unos 13.400 millones de años. Los observamos como si hubieran sido emitidos en una esfera a nuestro alrededor con un radio en corrimiento a z de unos 1100. Estos fotones nos muestran una fotografía de cómo era el universo cuando tenía solamente 380.000 años, cuando se formaron los primeros átomos y el universo se volvió transparente.

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En el plasma primordial los fotones chocaban constantemente con los electrones mediante dispersión de Thomson. La energía y la polarización de los fotones del fondo cósmico de microondas dependen de su última interacción con estos electrones, que a su vez depende de las anisotropías en la temperatura del plasma primordial.

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La polarización de la luz es una magnitud física que se describe con un tensor de 2×2 cuyas cuatro componentes son llamadas parámetros de Stokes: I para la intensidad, Q y U para la polarización lineal, y V para la polarización circular. Los electrones del plasma se mueven de las zonas calientes a las zonas frías. La dispersión de Thomson en una anisotropía térmica monopolar o dipolar no puede polarizar los fotones, es necesario que la anisotropía sea, al menos, cuadripolar.

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Cuando los electrones se mueven en cierto plano debido a una anisotropía térmica de tipo cuadripolar, descrita por armónicos esféricos Ylm con l = 2 y m = –2, –1, 0, +1, +2, la dispersión de Thomson polariza los fotones linealmente en una dirección paralela a dicho plano. No hay polarización circular; en realidad, V es menor de 10-9.

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Los gifs animados de mi presentación son del tutorial sobre polarización del fondo cósmico de microondas de Wayne Hu (Universidad de Chicago).

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La dispersión de Thomson entre fotones y electrones polariza los fotones linealmente.

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Una anisotropía térmica dipolar (en un plano los cuatro cuadrantes son frío-frío-caliente-caliente) no polariza los fotones en la dispersión de Thomson.

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Una anisotropía térmica cuadripolar (en un plano los cuatro cuadrantes son frío-caliente-frío-caliente) polariza linealmente los fotones en la dispersión de Thomson.

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La polarización lineal descrita por los parámetros Q y U se puede representar como un mapa de vectores bidimensional, es decir, pequeñas flechas en la esfera celeste. El teorema de Helmholtz del cálculo vectorial asegura que todo mapa de vectores bidimensional se puede descomponer como la suma de dos mapas, uno con divergencia nula y otro con rotacional nulo. En el estudio de la polarización del fondo cósmico de microondas dichos mapas se llaman modos E [o modos div, con rotacional nulo] y modos B [o modos curl, con divergencia nula].

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La polarización del fondo cósmico de microondas tiene su origen en las fluctuaciones cuánticas primordiales que fueron amplificadas durante la inflación cósmica. Estas fluctuaciones son de tres tipos: escalares, vectoriales y tensoriales. Las escalares sólo pueden producir modos E. Las vectoriales y las tensoriales producen tanto modos E como modos B.

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Sin embargo, las vectoriales son fuertemente suprimidas (su amplitud decae exponencialmente) durante la inflación. Por ello, la gravedad es la responsable de los modos B en la polarización del fondo cósmico de microondas, en concreto, las ondas gravitacionales primordiales. Los modos B nos muestran cómo era el universo cuando tenía una trillonésima de trillonésima de segundo durante la inflación cósmica.

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Maravillloso, pero hay un problema, el universo no está vacío. Hay cosas entre nuestros telescopios y la superficie de última interacción de la que parten los fotones del fondo cósmico de microondas. Por ejemplo, la gravedad de la materia de los supercúmulos galácticos actúa como lente gravitacional que transforma los modos E en modos B. Estos modos B espurios fueron detectados por el Telescopio del Polo Sur (SPTpol) en julio de 2013 y por PolarBear, un telescopio en el desierto de Atacama, en marzo de 2014. Estos modos B son fáciles de identificar pues dependen de los modos E (que fueron observados por primera vez en 2002).

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Los modos B observados por BICEP2 tienen la distribución angular esperada para los modos B primordiales, subtienden entre 1º y 5º de cielo, correspondientes a multipolos entre 50 < ℓ < 120; los modos E están picados en 0,2º en el cielo, es decir, el mutipolo ℓ ≈ 1000. El parámetro físico más importante asociado a los modos B observados por BICEP2 se llama r y corresponde al porcentaje (100 r) de energía consumida durante la inflación cósmica en producir ondas gravitacionales. Los modos B de BICEP2 apuntan a un valor de r enorme igual a 0,2 (en concreto, r=0,20 ± 0,07), que indica que el 20% de la energía inflacionaria produjo ondas gravitacionales.

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Un valor de r sorprendente, inesperado, ya que la mayoría de los expertos predecían un valor inferior al 5%, un valor de r menor de 0,05. Por ello, han llovido muchas críticas contra el resultado de BICEP2. Muchos expertos creen que sus modos B podrían ser debidos a fenómenos de primer plano, como la emisión térmica polarizada del polvo interestelar que rodea nuestra galaxia.

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La ventana de observación de BICEP2, situada en el llamado Agujero del Sur, es una región en la que parece que no hay polvo, pero incluso una pequeñísima cantidad de polvo podría influir mucho en la señal que observamos. Fuera de nuestra galaxia hay enormes arcos (o chorros) de estrellas producto del canibalismo galáctico, que emiten emiten luz que calienta el polvo estelar emitido fuera del plano galáctico por supernovas en un pasado lejano.

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El polvo está formado por partículas (sub)micrométricas esféricas y alargadas. Pueden emitir radiación térmica polarizada las partículas de polvo alargadas si son alineadas por el campo magnético galáctico. Para ello estas partículas de silicatos deben contener incrustaciones nanométricas de hierro y magnesio que las vuelven ferro- y ferri-magnéticas.

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Según el telescopio espacial Planck el polvo que emite radiación térmica polarizada está a una temperatura de unos 20 K (con mayor precisión 19,6 K) y su radiación tiene un máximo a unos 2000 GHz. La cola del espectro de esta radiación es muy pequeña a los 150 GHz que observa BICEP2, sin embargo, puede ser importante porque la señal de modos B es muy débil.

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El 100% de la señal de BICEP2 puede ser debida al polvo, o puede que sólo el 50% o sólo el 20%. Si supiéramos cuánto polvo hay en la ventana de BICEP2 podríamos eliminar la contribución del polvo y desvelar la señal de origen cósmico. Pero saberlo no es fácil, porque los bolómetros de BICEP2 han medido a una sola frecuencia (150 GHz; los de BICEP1 midieron a 100 GHz pero con una resolución mucho menor).

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La señal más intensa del polvo galáctico que puede observar el telescopio espacial Planck se encuentra en el mapa de polarización a 353 GHz que se publicó en mayo (de 2014). Por desgracia, en la ventana de observación de BICEP2 la relación señal/ruido es pésima y no sabemos qué parte de la señal es polvo y qué parte es ruido (instrumental en los bolómetros).

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En la ventana de BICEP2, Planck a 353 GHz observa polvo y ruido, y BICEP2 a 150 GHz observa polvo y, quizás, modos B cósmicos. La señal de polvo debería ser la misma, por ello los miembros de BICEP2 y Planck están trabajando juntos para estudiar las correlaciones entre ambas señales. Los resultados se publicarán en noviembre (de 2014). Quizás entonces podamos limpiar el polvo de la señal de BICEP2 y desvelar la señal de origen primordial. [Mis transparencias fueron enviadas a la organización antes del lunes 22 de septiembre, cuando se publicaron nuevos datos de Planck sobre el polvo, que ya discutí en este blog; por ello no he incluido ninguna transparencia con dichos resultados].

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En cualquier caso, el telescopio Planck publicará sus mapas de la polarización del fondo cósmico de microondas en noviembre (no se sabe la fecha, pero será antes de la conferencia que hay la primera semana de diciembre de 2014). BICEP2 ha observado poco más del 1% del cielo a una sola frecuencia 150 GHz. Planck buscará modos B de ondas gravitacionales primordiales en el 70% del cielo a dos frecuencias (100 GHz y 143 GHz). La sensibilidad de los bolómetros de Planck es peor que los de BICEP2, pero como buscará modos B en 50 regiones del tamaño de la ventana de BICEP2, gracias a la pura estadística, podría observar modos B y estimar el valor de r.

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Si el valor de r es mayor de 0,05, Planck será capaz de observar modos B. Si no, tendremos que esperar al próximo año (varios telescopios que los buscan publicarán sus resultados). En mi opinión, todo apunta a que el año 2015 se descubrirá que el valor de r es positivo. Por ello, predigo que el Premio Nobel de Física de 2016 será concedido a la inflación cósmica. ¿Acertaré mi predicción?

Más información para los interesados. Sobre la polarización del fondo cósmico de microondas recomiendo Wayne Hu, Martin White, “A CMB polarization primer,” New Astronomy 2: 323–344, 1997 [PDF gratis]; sobre los resultados de BICEP2 conviene ojear John Kovac (BICEP2 Collaboration), “Detection of B-mode Polarization at Degree Scales using BICEP2,” Strings 2014, June 23 [PDF slides]; sobre polvo como explicación de los modos B recomiendo ojear a Zaldarriaga, “The dawn of B mode cosmology,” Strings 2014, June 23 [PDF slides], y Philipp Mertsch, “Fingerprints of Galactic Loop I on the Cosmic Microwave Background,” COSMO2014, 25 Aug 2014 [PDF slides]; y sobre ondas gravitacionales primordiales a Atsushi Taruya, “Searching for primordial gravitational waves with cosmic microwave background polarization,” SI2014, 27 Aug 2014 [PDF slides].

Los interesados en monografías (libros de texto para doctorado) sobre el tema disfrutarán de Ruth Durrer, “The Cosmic Microwave Background,” Cambridge University Press, 2008 (el capítulo 5 se dedica a la polarización); Bruce T. Draine, “Physics of the Interstellar and Intergalactic Medium,” Princeton University Press, 2011 (la biblia del polvo galáctico); y, como no, Steven Weinberg, “Cosmology,” Oxford University Press, 2008 (la biblia sobre el modelo cosmológico de consenso).

5 Comentarios

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planck

No creo que exista en la red una explicación a nivel divulgativo más clara y detallada sobre este tema. ¡ Enhorabuena Francis !
Por cierto Francis, existe una similitud entre las características de los modos E y B relativas a la polarización y las componentes E y B del campo electromagnético (por poseer divergencia o rotacional nulo) ¿Sabes si este es el motivo de usar esta nomenclatura o es simplemente por la notación utilizada en el teorema de Helmholtz?
Por otro lado me surge otra duda: ¿Son nuestros modelos teóricos lo suficientemente buenos como para descartar la contribución de los campos magnéticos del plasma a los modos B? ¿No podrían generar los campos magnéticos del plasma regiones con diferencias de temperatura que produjeran anisotropias térmicas cuadripolares que pudiesen contribuir a los modos B? ¿O es imposible que los campos magnéticos del plasma generen modos B?

Francisco R. Villatoro

Planck, “¿Sabes el motivo de usar E y B?” Por supuesto está relacionado con la nomenclatura del campo electromagnético, modos con paridad “eléctrica” (vectores) o paridad “magnética” (pseudovectores). Esta nomenclatura fue introducida por Uros Seljak, Matias Zaldarriaga, “Signature of Gravity Waves in Polarization of the Microwave Background,” Phys.Rev.Lett. 78: 2054-2057, 1997, arXiv:astro-ph/9609169 (ver final de la columna izquierda en página 2). El otro artículo que introdujo la idea Marc Kamionkowski, Arthur Kosowsky, Albert Stebbins, “Statistics of Cosmic Microwave Background Polarization,” Phys.Rev. D 55: 7368-7388, 1997, arXiv:astro-ph/9611125, usó la notación modos G (o div, para los E) y C (o curl, para los B). Pero se impuso la primera. Por cierto, ninguno de los artículos se usa la versión del cálculo vectorial del teorema de Helmholtz, sino su análogo mediante transformada de Fourier (donde nunca se usa la notación E,B).

“¿Son nuestros modelos teóricos lo suficientemente buenos como para descartar la contribución de los campos magnéticos del plasma a los modos B?” A qué plasma te estás refiriendo, ¿al plasma primordial en la época de la recombinación? No tiene sentido físico lo que dices. Me parece que olvidas la escala de los modos B en el cielo, unos 5 grados son unas 10 veces el diámetro aparente de la Luna. No pienses en magnetismo porque se llamen B, que no te confunda la nomenclatura y ponga tu mente a pensar en sinsentidos.

“¿O es imposible que los campos magnéticos del plasma generen modos B?” Por supuesto. El plasma está a unos 3000-4000 K, ¿qué escala espacial caracteriza su densidad de campo magnético? El cálculo es elemental para un físico. A veces los físicos piensan mucho, pero calculan poco (lo que les enseñaron en primer curso de carrera).

Saludos
Francis

planck

Estoy de acuerdo con lo que dices Francis, sin embargo, la posibilidad de que campos magnéticos puedan contribuir a parte de la señal de modos B detectada por Bicep2 no es ningún sinsentido. Se ha estudiado con bastante profundidad la posibilidad de que campos magnéticos primordiales (no campos magnéticos debidos al propio plasma como dije antes) amplificados durante la inflación cósmica y que podrían estar presentes en el plasma antes de la recombinación pudiesen generar modos B. Puedes ver por ejemplo http://arxiv.org/abs/1403.6768 o http://arxiv.org/abs/1210.0308. Bien es cierto que la principal conclusión de los autores es que el campo magnético primordial tendría que ser prácticamente gaussiano y no se conoce que mecanismo físico podría producir esto a partir del espectro no-gaussiano primordial. Sin embargo, la posibilidad, aunque muy improbable, ha sido estudiada por los expertos.
Por cierto, también se ha estudiado la posibilidad de que los defectos topológicos pudieran contribuir a la señal de modos B. Parece ser que los cálculos indican que tal contribución sería muy pequeña en magnitud.
Un saludo y gracias por tu respuesta.

TiXolOTiXolO

Yo espero haber entendido la charla en una magnitud igual a r=0,2 ya me daría por satisfecho :)
Felicidades y gracias por la charla y los artículos de este blog, haces que un lego como yo se esfuerce por entender las cosas

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