Francis en @TrendingCiencia: Preguntas sobre BICEP2. (II) Ondas gravitacionales y polarización

Por Francisco R. Villatoro, el 7 abril, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Podcast en Trending Ciencia • Recomendación • Science ✎ 12

Dibujo20140407 josiah mcelheny - the strange attractor net

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast para Trending Ciencia. Dos nuevas preguntas sobre el resultado de BICEP2 y los modos B.

¿Las ondas gravitacionales primordiales afectan a la materia de forma que emite luz polarizada, o polarizan la luz directamente? No afectan a los fotones directamente, sino a la materia (el gas de electrones en el plasma primordial). Por tanto, afectan a la polarización de los fotones de forma indirecta.

Dibujo20140304 Thomson scattering geometry - wikipedia

La polarización de los fotones del fondo cósmico de microondas es resultado del scattering (dispersión) de Thomson entre los fotones y los electrones libres en la época de recombinación. Esta interacción elástica no afecta a la energía (o frecuencia) de los fotones, pero afecta a su polarización. Si los fotones se mueven en una dirección preferente, los fotones quedarán marcados con una polarización preferente.

Dibujo20140403 density vs gravitational waves - e-mode vs b-mode polarization patterns - bicep2

Dibujo20140403 e-mode visible by-eye 150 GHz maps Stokes Q and U - SPT polarization cmb

En las regiones de cambio entre caliente y frío, y viceversa, muchos fotones muestran un cambio de unos 90 grados en su polarización. Como resultado, el fondo cósmico de microondas queda marcado con modos E (rayas de tigre en la metáfora del podcast) y modos B (rayas de leopardo en el podcast).

Dibujo20140403 BICEP2 - total polarization - b-mode signal same scale - b-mode signal smaller scale

La gran dificultad a la hora de observar los modos B es su pequeña amplitud debida al pequeño afecto sobre el gas de electrones libres de las ondas gravitacionales primordiales.

Dibujo20140403 e-mode b-mode polarization cmb

¿Demuestra BICEP2 la existencia del multiverso? Hoy no podemos contestar esta pregunta. Sólo podemos especular una respuesta. No tenemos una teoría cuántica de la gravedad, clave en el universo preinflacionario y quizás determinante de la dinámica de la inflación. Los modelos actuales por tanto son especulativos y sus predicciones relacionadas con el multiverso han de ser tomadas con mucha cautela. Los modelos teóricos de la inflación que predicen un multiverso inflacionario, aunque puedan ser plausibles, deben ser calificados como especulación científica. Al menos hasta que no podamos medir en detalle el fondo cósmico de ondas gravitacionales (dentro de unas décadas). 

La semana que viene, más.



12 Comentarios

  1. Francis, hay una cosa que todavía no veo clara en las informaciones que durante estos días se están dando. Cuando se habla de la ondas gravitacionales, entiendo que se debería hablar de “fondo de ondas gravitacionales”, donde se encontrarían ondas gravitacionales procedentes de la “inflación” propiamente dicha y otras ondas gravitacionales procedentes de la fase de “recalentamiento”, y ambas serían diferentes en frecuencia y amplitud. Todo esto, como resultado de aplicar la “teoría general de la relatividad”.
    El telescopio Planck sólo estaría capacitado para detectar las primeras, mientras que las segundas sólo podrían detectarse por “interferometría laser”, por ejemplo, es decir, de forma directa.
    ¿Tú lo ves así? En cuyo caso me gustaría que profundizaras un poco más en este asunto.
    Saludos

    1. Eduardo, las ondas gravitacionales (estocásticas) producidas durante la fase de recalentamiento son una predicción de algunos modelos de inflación en los que la parada de la inflación es brusca (modelos de inflación híbrida). La mayoría de los cosmólogos y los datos de Planck y BICEP2 apuntan en contra de estos modelos (también predicen más anisotropías no gaussianas más grandes de las observadas).

      No soy experto, pero por lo que sé, en estos modelos dichas ondas gravitacionales son muy débiles, indetectables, salvo en los modelos con recalentamiento taquiónico o con recalentamiento gravitacional. En algunas versiones de estas teorías concretas estas otras ondas gravitacionales son detectables con interferómetros (LIGO/LISA). Juan García-Bellido (Univ. Autónoma de Madrid) y su grupo han trabajado bastante este tema.

      Sin embargo, como he dicho, la mayoría de los cosmólogos cree que, si en el recalentamiento se produjeron ondas gravitacionales, son tan débiles que son indetectables (ni en el CMB ni con interferómetros); en caso contrario, se habría observado una señal no gaussiana fuerte en el CMB.

      Saludos
      Francis

  2. hola –

    por que y como la inflacion produce ondas gravitacionales y por que no podrian ser los modos e y las ondas gravitacionales que la producen de otra causa?
    gracias

    1. Hola, Alicia

      Parece que Francis anda con el tiempo contado (últimamente sus entradas nuevas son más espaciadas), así que yo no esperaría una respuesta rápida, que además quizá podrías responderte por ti misma.

      Si no lo has hecho ya, mira todas las entradas viejas referidas a BICEP2, los modos B y E, y el multiverso inflacionario.

      Puedes usar el buscador del blog o navegar sus páginas con los botones [<>] al pie de página (“Siguiente” significa “más viejo”). Recomiendo lo segundo porque el hilo no es muy viejo y conviene leerlo en orden cronológico.

      El hilo comienza en la entrada titulada “Rumor” que actualmente está en la página 3 https://francis.naukas.com/pagina/3/ De ahí para arriba y luego [<< Anterior].

      No te limites a los artículos y sus referencias (éstas suelen estar en inglés y al nivel de Francis, jeje), mira también los comentarios y las esclarecedoras respuestas de Francis. Los comentaristas también postean enlaces que aportan más luz sobre el tema, usualmente a un nivel más "accesible".

      Saludos.

    2. Imagina un lago que en vez de tener agua, tiene un fluido especial con una tension superficial muy grande. Ahora arrojas una gran piedra en ese fluido y comienza a hundirse produciendo en la superficie ondas circulares, pero la piedra se hunde tan rapido y la tension superficial es tan grande que arrastra esas ondas al interior del cono que se forma a medida que la piedra se hunde. Bien, esas ondas estan ahora dentro del cono interactuando con la materia que ingresa dentro de cono, el cual cada vez es mas grande porque la piedra cada vez va mas profundo. LLegado el pundo la interaccion de las ondas producidas en un principio es tan pequeña y el cono tan inmensamente grande que puede volverse indetectable. Algo asi, serian las ondas gravitacionales.

  3. Hola Francis,

    Una pregunta que he estado haciéndome estos días y he expuesto aquí, pero no sé si la has visto y me gustaría saber tu opinión.

    Para poder hablar de expansión del vacío, necesitamos que haya espacio, y por lo tanto, métrica; me pregunto en base a qué campo tenemos ese espacio medible en el vacío antes de tener materia.

    Gracias

      1. Gracias Pelau…obviamente todo eso está leído. Y justamente es lo que suscita la duda; gracias a que tenemos materia y campos en el universo actual, podemos aritmetizar el espaciotiempo. La duda es, cómo lo tenemos que hacer en el vacío o falso vacío, a qué campo debemos agradecer, no la propia expansión (se habla de inflatón) si no el que sustenta el concepto de espacio medible, gracias al cual decimos que se produce una expansión, un aumento del espacio tiempo. Tal vez sea el propio inflatón, no lo sé, por eso pregunto.

        Si la pregunta careciera de sentido, también me gustaría saberlo para olvidarla.

        Gracias 🙂

        1. El asunto es que, hasta donde yo entiendo, podemos tener métrica sin materia, por ejemplo, en base a fotones. A la luz tanto le da si hay materia o no. Un año luz es un año luz con o sin materia.

          Pero, si no hay materia, entonces conviene olvidarnos de TODAS las partículas (fotones, etc.) y pensar sólo en términos de campos. Por eso te guié a esos enlaces.

          No quise mencionarte el campo inflatón porque no lo tengo claro. Si a tus dudas voy a sumar las mías, entonces mejor no digo nada, pues sólo serviría para confundirte más. Pero, ahora que tú mismo lo has mencionado, te cuento mis dudas.

          Tengo entendido que el campo inflatón existió sólo durante el período inflacionario, aunque quizá no “desapareció”, puede que hoy día sea lo que llamamos Energía Oscura, no lo sé.

          Por otra parte, tengo entendido que durante el período inflacionario las constantes cosmológicas todavía no estaban definidas. O sea que, por ejemplo, la velocidad de la luz todavía no estaría “fijada” en el valor que conocemos hoy.

          Si eso es correcto (y he ahí mi duda) entonces no podríamos aplicar ninguna unidad de medida actual. Ni siquiera la Longitud de Planck, pues ésta en definitiva se basa en la velocidad de la luz.

          Como ves, mi duda es esencialmente la misma que la tuya.

          Saludos.

  4. Francis, los fotones así polarizados, y dado que no sufren pérdida de energía, ¿se sabe cuánto disminuye la energía de las ondas gravitacionales en este proceso de interación? ¿Son los fotones las únicas partículas afectadas por la polarización -spin-?

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