Polvo galáctico, ondas gravitacionales primordiales, ¿qué ha observado BICEP2?

Dibujo20140518 dust vs bicep2 measurement - raphael flauger - pcts - princeton

Nadie conoce la distribución de polvo galáctico que hay en la región del cielo que observa el telescopio BICEP. Nadie sabe cómo influye en la polarización del fondo cósmico de microondas en dicha región. El telescopio espacial Planck de la ESA no puede descubrirlo (en esa región hay tan poco polvo galáctico que sus instrumentos no tienen sensibilidad suficiente para caracterizarlo). Habrá que esperar a los resultados de SPTpol, Polarbear, ACTpol, Keck Array e incluso BICEP3 para saberlo. Quizás haya que esperar un par de años.

Por tanto, a día de hoy, igual que el 17 de marzo (como dije el 18), no sabemos si BICEP2 ha observado ondas gravitacionales primordiales, polvo galáctico, ambas cosas mezcladas, u otra cosa. Lo que no hay que olvidar es que si hubiera más polvo galáctico del que creemos que hay, su emisión podría explicar toda la señal observada por BICEP2 (como indica la figura que abre esta entrada). Pero nadie sabe cuánto hay realmente.

Nos lo recuerdan esta semana dos charlas de expertos en este tema: Raphael Flauger (IAS & NYU), “Towards an Understanding of Foregrounds in the BICEP2 Region,” Princeton Center for Theoretical Science, Searching for Simplicity Workshop, May 15, 2014 [Slides PDF, Video offline]; y Matias Zaldarriaga (IAS, Princeton), “Foregrounds in the BICEP2 Region,” Burke Institute Workshop on Primordial Gravitational Waves and Cosmology, May 17, 2014 [Slides PDFVideo offline].

Dibujo20140518 aumont eslab presentation - galactic dust in cmb - raphael flauger - pcts - princeton

Para estimar la contribución del polvo galáctico a los mapas de polarización del fondo cósmico de microondas (mapas de los parámetros de Stokes Q y U) en la región de observación de BICEP2, donde no ha sido medido nunca, lo más habitual es utilizar un modelo basado en una ley de potencias. Raphael Flauger y Matias Zaldarriaga han digitalizado los mapas publicados por la colaboración Planck y han desarrollado un modelo (muy) simplificado para entender dichos mapas. A partir de dicho modelo han extrapolado la señal hasta la región del cielo que observa BICEP2. Por supuesto hay que coger esta extrapolación con alfileres.

Dibujo20140518 level dust contamination estimation in bicep2 region - matias zaldarriaga -

El resultado de la labor de Flauger y Zaldarriaga es que el polvo galáctico podría ser mucho más abundante en la región observada por BICEP (una de las más limpias de este polvo en todo el cielo) de lo que se pensaba. En dicho caso, toda la señal observada por BICEP2 podría ser debida a la polarización de este polvo. Aunque también podría ocurrir que el polvo sólo contribuyera a una parte de dicha señal, o incluso que su contribución fuera despreciable (como predicen los modelos teóricos utilizados por los miembros de la colaboración BICEP).

La conclusión sobre BICEP2, a día de hoy, es que tenemos que esperar. Pero hay otra conclusión importante. El escepticismo es la marca de agua de la ciencia. La revisión por pares realizada por científicos independientes, de forma pública gracias a la web, está cambiando la manera en la que se hace ciencia. Los análisis realizados por Flauger y Zaldarriaga pueden ser repetidos por cualquiera. Si al final tienen razón, su labor habrá sido muy importante. Si al final están equivocados, si labor también habrá sido muy importante. La ciencia requiere escepticismo, tanto o más que la propia sociedad.

Dibujo20140518 eslab - planck - polarization sky map Dibujo20140519 - example of some uncertainties involved - zaldarriaga

PS (19 mayo 2014): Por cierto, la reconstrucción realizada por Flauger y Zaldarriaga se basa en unos mapas de la fracción aparente de polarización (p) en el fondo cósmico de microondas, medida por el telescopio espacial Planck con un bolómetro ajustado a 353 GHz. La polarización de la luz se caracteriza por los cuatro parámetros de Stokes: la intensidad total I y el vector de tres componentes Q, U y V (para la polarización lineal V=0, y sólo Q y U son no nulos). La fracción de luz polarizada es el cociente p=\sqrt{Q^2+U^2}/I. Dividir por un valor pequeño provoca un gran error en la medida (recuerda que dividir por cero da infinito). Por ello, en las regiones en las que la intensidad de la señal de microondas es pequeña (I próxima a cero) es muy difícil estimar de forma precisa la fracción de polarización; su valor es muy sensible a pequeños cambios (o errores) en la intensidad. Por ello la colaboración Planck no ha podido medir la contribución del polvo cósmico con precisión en la región (muy limpia de polvo) elegida por la colaboración BICEP.

Dibujo20140519 polarized light from star-forming regions - a goodman - harvard university

Como indico en un comentario, el polvo interestelar está constituido de pequeñas partículas de materiales variados (carbono, oxígeno, silicio, hierro, magnesio, etc., e incluso con moléculas adheridas a su superficie); las partículas de polvo son de diferentes tamaños (submilimétrico) y de diferente forma (con unas partículas de polvo más esféricas y otras más elípticas). Estas partículas pueden rotar y polarizan la luz que atraviesa el polvo, pudiendo introducir un patrón similar a un modo B en la polarización de fondo cósmico.



23 Comentarios

    1. Thepulp, el polvo interestelar está constituido de muchas cosas (carbono, oxígeno, silicio, hierro, magnesio, etc., e incluso otras moléculas adheridas a su superficie) y es la materia prima para la formación de los planetas. Son pequeños granos de diferentes materiales de tamaño macroscópico (diámetro menor de 1 mm) que rotan y emiten radiación (dipolar eléctrica y dipolar magnética en el rango de las microondas, unos 100 GHz). Cuando tienen forma alargada su emisión está polarizada. Busca más info en Google.

  1. Sin querer ser pedante ni pretensión de notoriedad; en proximo articulo que se publicara online antes del 15 de Junio; se puede demostrar que el ratio tensor-escalar es: 2/(Pi)^2=0.202642367…
    Y no es necesario ningun campo escalar ad-hoc; la misma quantizacion de la gravedad explica perfectamente la inflacion, asi como ( entre otras cosas) su factor de escala que da el valor exacto de la constante de Huble:
    1/H= Tpk x ly x [sinh(exp(Pi^2/2)) + cosh(exp(Pi^2/2))]

    Tpk= tiempo de Planck
    ly= sqr(137.035999173/(4 x Pi))

    1. Que bonito polder. Pero como no nos razones muy bien las expresiones,… a priori desprenden aroma a numerología de chistera Juan Tamariz…
      Por cierto, un matemático nivel Bachillerato enseguida se da cuenta de que tu expresión guay de 1/H se puede simplificar:
      1/H= Tpk x ly x exp[exp(Pi^2/2)]

      1. fisica.
        En este breve espacio no puedo explicarte por completo todo el dedarrollo teorico; para eso esta el paper que publicare.Pero para que te hagas una idea, solo ligeramente aproximada.
        Partiendo al unisono del mismo punto un foton tiene una longitud de onda mucho mas pequeña que la de un graviton. Por lo que con la condicion mencionada el foton esta encerrado en las “paredes” del graviton, lo cual equivale al efecto Casimir.
        Bien, si la distancia al cuadrado de las paredes.es el cuadrado del modulo del spin 2 del graviton, s(s+1)=6; se tiene el vector suma para las tres dimensiones: (Pi)^2/6 + (Pi)^2/6 + (Pi)^2/6 = (Pi)^2/2 ==> r(T/S)b= 2/(Pi)^2
        Ya se que se puede simplificar la expresion, pero todo tiene un por que: son coordenadas en un espacio hiperbolico, de alli la notacion.
        Saludos

      2. También te puedo dar una idea de otra forma: en Relatividad General la amplitud de una onda gravitatoria ( polarización en cruz , en este caso) es:
        h= 4G²(m1m2)/(Rrc⁴) ; donde G es la constante gravitatoria, c es la velocidad de la luz, R es la distancia de observación, r es el radio de las masas o masa; m1, m2, masas.
        Esta ecuación es un número adimensional puro.
        Lo que nos interesa es medir la curvatura producida por una cuantización de la gravedad; una cuantización adimensional dada por infinitos osciladores de curvatura y con las condiciones: a) debe de incluir un termino de asimetria materia-antimateria. b) Debe de incluir todos los spines.
        Con estas dos condiciones y substituyendo la ecuación anterior en función de una cuantización adimensional; se tiene la siguiente serie infinita de curvaturas:

        4(Sum[n=0, n= infinito; { (-1)^n/(2n+1)})²= 4(Pi)²/8 = (Pi)²/2

        2 = spin graviton = spin gravitino + spin fermion + spin boson ( s=0)= 3/2 + 1/2 +0

        (3/2 + 1/2 + 0 )n + 1 ( spin fotón )
        En la anterior serie cada termino en su denominador es un tensor, puesto que (2n+1)² es una matriz de orden 2, por lo que es un tensor.
        El termino (-1)^n es la paridad o termino de asimetria matería-antimateria

        Por lo tanto el ratio tensor-escalar de los modos B es : r(T/S)b= 2/(Pi)²

        Otra implicación, que ya no voy ha explicar ( el que conozca física , lo entendera ):
        -In(cos ( spin2)) aprox = r(T/S)b
        donde cos( spin2) es el coseno del spin 2 = 2/sqr(6); y In es el logaritmo neperinano

        Por último para el factor de expansión: En la inflación, que es de origen gravitatorio, simplificando mucho, la velocidad es igual a la aceleración. Esto en términos de ecuaciones diferenciales, sería:

        d²x/dt²= dx/dt, resolviendo esta ecuación para t = Pi se obtiene:

        t1/t2 = exp((Pi)²/2)
        Y ya no sigo, la anterior expresión es un termino de cambio de velocidad, por simplificar mucho; en un espacio hiperbólico, por eso la expresión final en término de sinh(x) + cosh(x)
        Saludos

          1. Claro debe ser el que utilizas, tu Albert.
            Los fisicos que tenemos capacidad utilizamos nuestro propio cerebro y no necesitamos tonterias de esas ,que por lo que se ve conoces muy bien, supongo que por el uso continuo de Mathgen y SCIgen que haces.
            Tu actitud ofensiva gratuita no me.gusta, Yo en ningun momento he cuestionado a nadie, y menos sin saber nada de la persona.
            En cambio tu insinuas sin conocimiento de causa que mis investigaciones son un plagio generado por esos programas que mencionas.
            No consiento tales insinuaciones gratuitas.
            Primero aprende a ser mejor persona, que te queda mucho camino, mal educado.
            Y esta es mi ultima respuesta a tu esperpentica personalidad.
            Saludos

        1. Bueno, intentare dentro de lo posible no recurrir a formalismos matemáticos; por que mi nivel didactico hacia los demas es muy pobre y limitado. Pero bueno, alli voy: Entiendo por inflacion el vaciado o “enfriamiento” de la máxima cantidad posible de configuraciones, estados, niveles de libertad posibles del vacio en su estado inicial de máxima simetría. Esto implica varios hechos fenomenologicos: a) el espacio-tiempo-energia es una sola entidad fisica no separable ( de alli el principio de incertidumbre de Heisenberg). Esta entidad unificada es de carater puramente geométrico y topologico. b) las permutaciones de las 4 dimensiones es lo que da lugar al grupo de unificacion GUT SU(5).A su vez la aplicacion de los valores negativos de estos estados-vectores da lugar al grupo SU(7)==> 2 x 24= 48
          C) la ecuacion de la energia impulso tiene 5 soluciones dadas por:
          E1^2= (imc^2+pc)(-imc^2+pc)
          E2^2=(imc^2-pc)(-imc^2-pc)
          E3^2=(mc^2+ipc)(mc^2-ipc)
          E4^2=(-mc^2-ipc)(-mc^2+ipc)
          E5^2=i(imc^2+pc)(mc^2+ipc)
          Estas 5 soluciones son de una importancia extrema.
          Por una parte constan de 20 componentes de energia, contando todos los factores. Estos 20 componentes son isomorfos o equivalentes a los 20 conponentes del tensor del campo gravitatorio de RG, siendo d el numero de dimensiones los componentes del tensor son (d^2-1)d^2/12 =N(Td)
          Para d=4, N(T4)=20
          La extension de estas 5 soluciones ( 5 spines posibles) a siete dimensiones mediante los octoniones, dan lugar ( contando los valores negativos, materia-antimateria) a 70 soluciones, el cual es el area de un sector triangular de un espacio hiperbolico de De Sitter
          Siendo 70^2 =Sum(n=1,…,n=24; n^2)
          Y el valor muy aproximado del vacio es ; [exp(-70) x Mpk c^2]/2~ 2.4 x 10^-3 eV
          Continuo en otro post, si no agoto lo permitido

        2. Continuacion 2
          El grupo SU(7) x 5 soluciones es la dimension de la lattice R8, 240, es decir de dimension 8, grupo E8
          240= 20 componentes del tensor RG, por N(T3) x 2
          240 representa, es la cuantizacion del espacio-tiempo-energia; por lo que el valor de minima energia en que se descompone es por los pares electron-positron-fotones, lo que permite calcular con exactitud la densidad de bariones: omega(b) = (2In(Mpk/me)+alpha^-1(0) -240)= 0.04584115
          Mpk= masa Planck, me= masa electron, alpha^-1(0)= inverso constante estructura
          fina a cero impulso (137.035999173);In =logaritmo neperiano
          2In(Mpk/me)= 103.0556831

          Sin entrar en detalles, la csntidad maxima de configuraciones es: 48!
          Y se tiene que el factor de inflacion es: (48!)/ (5+{sin(Pi^2/2)}^2/10) = exp{exp(Pi^2/2)}
          Y finalmente masa del universo= Mpk x [ (48!)/ (5+{sin(Pi^2/2)}^2/10) ] x Ly

          Ly = sqr(137.035999173/(4Pi))=3.302268663

          Es de origen gravitatorio, por que a las longitudes de Planck la fuerza gravitatoria o del espacio-tiempo-energia es.repulsiva, en virtud de la unficacion de la gravitacion y el electromagnetismo por la funcion de particion generada por los valores reales de las partes imaginarias de los ceros no triviales de la funcion zeta de Riemann, es decir: funcion particion ceros no triviales zeta Riemann: Sum(-tn, n=1; n= infinito; exp(-tn))= (1374617.4545188)^-1

          (Pi)^4(e)^2(1374617.4545188)^-2 = Mpk me G
          e= carga electrica elemental= 1.60217656 x 10^-19 C
          Saludos

  2. Como dice Francis la parte positiva es la constatación, una vez más, de que en ciencia solo prevalecen las hipótesis y los modelos que han sido reproducidos y contrastados de forma independiente por distintos equipos científicos. Actualmente con la existencia de una red global de datos y la posibilidad de que cualquier investigador pueda acceder a ellos el proceso de revisión de las hipótesis y la verificación de si los modelos reproducen los datos experimentales disponibles debe ser mucho más fluido.
    En este caso, las conclusiones de BICEP2 solo serán aceptadas (tal y como los Físicos han repetido una y otra vez) cuando todas las incertidumbres hayan sido reducidas por debajo del umbral que exige el método científico.
    Si al final resulta que la polarización encontrada por BICEP2 no es de origen primordial muchos iluminados anti-científicos lo interpretarán como una “cagada” de los científicos, una prueba de que la ciencia comete grandes errores o una prueba de las limitaciones de la ciencia. Sin embargo, significaría todo lo contrario, sería otra prueba más del éxito del método científico.
    Por supuesto creo que la mayoría de los que anhelan nuevos descubrimientos están esperando que los modos B detectados sean de origen primordial. No todos los días accedemos aunque sea de manera indirecta a huellas de eventos que ocurrieron a 10exp16 GeV y a huellas de fluctuaciones cuánticas del campo gravitatorio durante la inflación. Ya hay cientos de papers en arxiv con las posibles implicaciones de los hallazgos de BICEP2 para SUSY, GUT, Supercuerdas, gravedad cuántica, la masa del gravitón, materia oscura, modelos inflacionarios, etc etc. Parece como si la Física fundamental y la Cosmología hubieran tomado un enorme impulso desde BICEP2. Por supuesto, al final solo los datos experimentales decidirán si estos estudios valen su peso en oro o se van a la basura, así es y debe de ser.
    Por cierto, al contrario de lo que algunos dicen, la inflación cósmica seguirá tan sólida como antes de BICEP2 aunque sus resultados sean refutados. Desde los últimos datos de Planck sabemos que la inflación es la única forma de explicar como es nuestro Universo.

    1. Planck, estas muy equivocado. Al contrario, la teoría de la inflación ya sea en cualquiera de sus modificaciones no tiene ningun sustento científico del punto de vista de la física de partículas. Una teoria alternativa es la teoria de la velocidad variable de la luz, esta teoría muestra que el universo tiene una geometria plana. Resuelve el problema PLANITUD y de la HOMOGENEIDAD.

      1. Pepe, los conceptos de falso vacío, transiciones entre regiones del falso vacío al vacío verdadero, el funcionamiento del potencial del campo inflatón (campo escalar) etc son conceptos extraídos de la teoría cuántica de campos (QFT) y por supuesto el formalismo matemático de todos los modelos de inflación están basados en las matemáticas de la QFT y de la Teoría de la Relatividad ya que se considera que las escalas implicadas no están demasiado cerca de las escalas de Planck donde necesitaríamos una teoría cuántica de la gravedad.
        Respecto a la velocidad variable de la luz existen multitud de evidencias que indican que ésta ha permanecido constante a lo largo de la evolución del Universo (estudios de medidas de la constante de estructura fina, etc)

      2. Antonio (AKA “Un físico”),
        Al tratarme como charlatán o insinuar, de seguro te respaldar en tus amplios y muy diferenciados trabajos publicados en NATURE. Eres uno más de monton, así que para hablar de otros primero hay que saber que tan mediocre eres. Considerando que este blog es muy serio , de seguro referencias cada uno de tus trabajos para comprobar que en verdad eres muy respetado en el mundo científico, de lo contrario asumiré por simple lógica que eres un mediocre que le gusta ofender a las personas.

  3. Antonio, ¿donde ves tu la operación de Marketing y la falta de profesionalidad? ¿Quien se pavoneaba de que? Vamos a ver:
    1º) El estudio del equipo de BICEP2 cumple con los estándares de rigor y calidad exigibles a un grupo científico profesional dentro de su campo de estudio. ¿O es que te crees que se han inventado los datos? Los modelos para simular los efectos del polvo galáctico fueron realizados con los datos disponibles en ese momento y basándose en las mejores estimaciones disponibles. A POSTERIORI los expertos han detectado que quizás puede existir más polvo en esa zona de lo que ellos estimaron, pero así funciona la ciencia, en ningún momento se hicieron hipótesis o suposiciones deliberadamente falsas.
    2º) Todavía nadie sabe si los modos B detectados son primordiales o no así que nadie sabe si sus conclusiones son ciertas o no.
    3º) ¿Un estudio serio con grandes implicaciones en Cosmología y Física es solo Marketing porque en su financiación este presente una conocida gran empresa privada? Entonces ¿todos los estudios científicos serios con capital privado son puro Marketing? A lo mejor la ciencia debería de renunciar al capital privado para evitar el riesgo de que alguien interprete que el estudio solo responde a los intereses privados. Eso no tiene sentido.
    4ª) El objetivo de BICEP2 no era demostrar la inflación, era detectar los Modos B primordiales. La inflación sigue tan robusta como antes aunque se demuestre que la polarización es de origen galáctico a pesar de que el estudio de BICEP2 era otra prueba más de su existencia.
    5º) Todos los papers publicados sobre los resultados de BICEP2 empiezan o contienen la frase : “SI LOS DATOS DE BICEP2 SE MANTIENEN…” por tanto, ¿donde ves tu la falta de profesionalidad? Al final los datos experimentales tienen la última palabra y no hay ningún problema por hacer estudios teóricos sobre un estudio serio siempre que se indique que es necesario esperar a la confirmación de los datos de partida.
    Resumiendo creo que lo que dices no se ajusta para nada a la realidad.

  4. Mejor no dar de comer a los Trolls y dejarles seguir con sus bobadas filosóficas de todo a 100 y sus monólogos repletos de retórica pedante que nada tienen que ver con el tema de este blog.

  5. Antonio (AKA “Un físico”),
    Al tratarme como charlatán o insinuar, de seguro te respaldar en tus amplios y muy diferenciados trabajos publicados en NATURE. Eres uno más de monton, así que para hablar de otros primero hay que saber que tan mediocre eres. Considerando que este blog es muy serio , de seguro referencias cada uno de tus trabajos para comprobar que en verdad eres muy respetado en el mundo científico, de lo contrario asumiré por simple lógica que eres un mediocre que le gusta ofender a las personas.

  6. Antonio (AKA “Un físico”),
    Al tratarme como charlatán o insinuar, de seguro te respaldar en tus amplios y muy diferenciados trabajos publicados en NATURE. Eres uno más de monton, así que para hablar de otros primero hay que saber que tan mediocre eres. Considerando que este blog es muy serio , de seguro referenciaras cada uno de tus trabajos para comprobar que en verdad eres muy respetado en el mundo científico, de lo contrario asumiré por simple lógica que eres un mediocre que le gusta ofender a las personas.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 18 mayo, 2014
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Personajes • Prensa rosa • Science
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