Francis en #rosavientos: BICEP2 detecta los modos B primordiales

Por Francisco R. Villatoro, el 23 marzo, 2014. Categoría(s): Ciencia • Eureka (La Rosa de los Vientos) • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Recomendación • Science ✎ 6

Dibujo20140418 Stephen Hawking SH in CMB - B-mode polarization

Ya puedes escuchar el podcast de mi sección ¡Eureka! en el programa de radio La Rosa de los Vientos de Onda Cero.  Como siempre una transcripción, algunos enlaces para profundizar y algunas imágenes. Por cierto, la imagen que abre esta entrada es una pareidolia con las iniciales de Stephen Hawking (S.H.) en la señal de modos de B de la polarización del fondo cósmico de microondas observado por BICEP2.

Esta semana la gran noticia científica ha sido protagonizada por el telescopio BICEP2 en el Polo Sur. ¿Qué convierte esta noticia en una de las más importante del año? El telescopio BICEP (siglas de Telescopio para la Polarización Extragaláctica del Fondo Cósmico, en inglés Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) anunció el pasado lunes (17 de marzo) la detección por primera vez de modos B en la radiación cósmica de fondo. Se trata de la noticia cosmológica más importante de los últimos años. Se esperaba que estos modos B se observaran por primera vez en el telescopio espacial Planck de la ESA (Agencia Europea del Espacio) el próximo mes de junio, pero BICEP2 se ha adelantado para sorpresa de todos. Si se confirma su observación, se tendrá la prueba definitiva que faltaba para que la inflación cósmica reciba un Premio Nobel de Física (que recaerá en Alan Guth y Andrei Linde). Por ello se ha generado mucha expectación con esta noticia. Los físicos creemos que la detección de estos modos B en la polarización de la radiación cósmica de fondo son resultado de ondas gravitacionales producto de los primeros instantes del big bang.

Los artículos técnicos (para los más atrevidos) son BICEP2 Collaboration, «BICEP2 I: Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales,» arXiv:1403.3985 [astro-ph.CO], 17 Mar 2014, y «BICEP2 II: Experiment and Three-Year Data Set,» arXiv:1403.4302 [astro-ph.CO], 17 Mar 2014.

Para los que prefieran leer divulgación en español, recomiendo leer todos las noticias citadas por mi amiga Laura Morrón en «Primera prueba directa de la Inflación Cósmica,» Los Mundos de Brana, 17-22 Mar 2014 (incluye el enlace al vídeo viral en el que el coordinador de BICEP3 le da la noticia a Andrei Linde). Para los que también quieran leer fuentes en inglés recomiendo la recopilación de Pedro J. Hernández, «Lo que hay que leer sobre los datos de BICEP2 y sus implicaciones,» Google+, 17-21 Mar 2014. En este blog puedes leer también «La inflación cósmica y el multiverso inflacionario«, «BICEP2 obtiene la primera prueba directa de la inflación cósmica«, y  «Un poco de sal a la observación de BICEP2«.

Dibujo20140423 esa planck telescope - cmb anisotropies - 5 ppm

Vayamos por partes, ¿qué es el fondo cósmico de microondas? La teoría del big bang explica los cambios que ha sufrido la materia y la energía contenida en el universo debido a la expansión cósmica. Cada vez hay más espaciotiempo vacío en el universo visible y, por tanto, en el pasado el universo era más compacto y estaba más caliente. Cuando el universo tenía unos 380.000 años de edad, estaba constituido por un plasma a unos 3000 Kelvin de temperatura, formado por electrones, núcleos atómicos ligeros, fotones y neutrinos. Había unos mil millones de fotones por cada núcleo atómico. En ese momento ocurrió la llamada recombinación y se formaron los primeros átomos (los electrones se ligaron a los núcleos). El universo se volvió transparente a los fotones, que interaccionan muy poco con los átomos que son neutros. Ese fogonazo es lo que llamamos el fondo cósmico de microondas. Los fotones que nos llegan ahora mismo se originaron hace unos 13.420 millones de años y nos muestran cómo era el universo cuando tenía 380.000 años y cómo llegar a ser así.

Dibujo20140423 polarization cmb - lp f03 ppt m

¿Qué es la polarización de los fotones del fondo cósmico de microondas? La polarización es una propiedad de la luz que todos usamos cuando vamos a ver una película de cine 3D. La película se proyecta en la pantalla del cine con dos imágenes con polarización diferente. Las gafas 3D tienen filtros polarizadores diferentes en cada ojo y vemos dos imágenes diferentes una en cada ojo. Todos los fotones tienen polarización, por ello los fotones del fondo cósmico de microondas están polarizados. La polarización se representa mediante un vector. Un mapa de la polarización del fondo cósmico de microondas es un mapa de pequeñas flechitas similares a las flechas que indican la dirección del viento en un mapa meteorológico. El análisis de estas flechitas nos permite agruparlas en dos modos, llamados modos E y modos B. El telescopio BICEP2 ha observado por primera vez los modos B.

Dibujo20140423 e-mode - b-mode - polarization cmb

¿Qué son los modos B que ha medido el telescopio BICEP2? Podemos imaginar un mapa de la polarización del fondo cósmico de microondas como un mapa de los cabellos de la cabeza de una persona. Cuando queremos peinarnos los cabellos con un peine tratamos de alisar todos los cabellos, pero siempre aparece una zona, la coronilla, con una pequeña calva. La única forma de evitar la coronilla es tener el pelo rizado o con volumen. Los cabellos lisos corresponden a los modos E (modos de rotacional nulo) y la coronilla es un modo B (modo de divergencia nula). Los modos B que el telescopio BICEP2 ha observado son como la coronilla de nuestro peinado, aunque en el fondo cósmico de microondas puede haber muchas coronillas de este tipo. Estos modos B son difíciles de observar porque su intensidad es unas cien veces más pequeña que la intensidad de los modos E (que fueron observados por primera vez en el año 2002). En julio del año pasado se observaron por primera vez los modos B en el radiación cósmica de fondo, pero no eran modos B primordiales como los que se han observado gracias a BICEP2.

Dibujo20140423 density wave - e-mode - gravitational wave - b-mode - bicep2 visuals

Estos modos B tienen como origen las ondas gravitacionales pero ¿qué relación tienen con la inflación cósmica? La teoría actual del big bang se inicia con una fluctuación cuántica de un falso vacío, seguida por la inflación cósmica y finalmente por la aparición de la materia y la energía. Cuando el universo tenía una billonésima de billonésima de billonésima de segundo el espaciotiempo vacío creció de forma muy rápida, creciendo en tamaño en unos 50 órdenes de magnitud. Esta enorme expansión se ralentizó y quedó como residuo la expansión que observamos en la actualidad. Durante la inflación cósmica el espaciotiempo vibró como la piel de un tambor y se produjeron ondas gravitacionales que son ondas de espaciotiempo. El efecto de estas ondas gravitacionales primordiales en los fotones del fondo cósmico de microondas depende de su polarización. Los modos B (las coronillas) en el fondo cósmico de microondas se pueden producir de varias formas, pero los que tienen una amplitud angular en el cielo entre 1 y 5 grados (entre el doble y diez veces el tamaño de la Luna en el cielo) creemos que son debidos a estas ondas gravitacionales primordiales.

Dibujo20140423 history of universe - inflation - gravitational waves - bicep2 visuals

¿Es la primera vez que se detectan ondas gravitacionales? Las ondas gravitacionales se observaron de forma indirecta en 1974 en estrellas de neutrones dobles, descubrimiento premiado con el Nobel en 1993. Lo que BICEP2 ha observado por primera vez, gracias a los modos B, son las ondas gravitacionales primordiales. Por supuesto, hay que recordar que el reesultado de BICEP2 tiene que ser confirmado por otros instrumentos, pues en física una única observación de un fenómeno siempre ha de ser tomada con cierto escepticismo.

Dibujo20140423 bicep2 telescope - south pole - harvard univ

Se ha dicho que BICEP2 ha encontrado la primera prueba del multiverso, ¿qué nos puedes decir al respecto? Las teorías más sencillas sobre la inflación cósmica predicen la formación de muchos big bangs en el falso vacío preinflacionario. Cada uno de ellos da lugar a algo parecido a nuestro universo, por lo que algunos físicos hablan del multiverso inflacionario. Sin embargo, todos estos «universos» (entre comillas) de este multiverso tienen un origen común en el falso vacío. Luego quizás el término multiverso no es el más adecuado a la hora de referirse a esta consecuencia de la inflación. Además, hay modelos de inflación más complicados que evitan el multiverso. Por ello, por ahora no podemos afirmar que el resultado de BICEP2 haya demostrado el multiverso.



6 Comentarios

  1. Francis,
    Muchas gracias por la mención, es un honor.
    La explicación es muy clarificadora y eso es esencial para que las personas que escuchan un programa generalista lo entiendan.
    Tu divulgación es excelente con independencia del público objetivo al que te diriges y eso te hace realmente grande.
    Como siempre, es un verdadero placer leerte.
    Me siento MUY afortunada de ser tu amiga.
    Un beso,
    Laura

  2. Francis, se está comentando que este hallazgo permitirá la exploración de una nueva escala de energía, muy por encima de la que es actualmente accesible con los grandes aceleradores y que estos resultados nos acercarán a una comprensión más profunda de las interacciones fundamentales próximas a la escala de Planck. Tú piensas que todo esto puede afectar a los programas para construir futuros aceleradores de partículas.

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