Qué nos dirá el telescopio espacial Planck sobre los modos B

Dibujo20140724 planck multipole moment spectrum - esa

A finales de octubre, o ya en noviembre, se publicarán los nuevos datos del telescopio espacial Planck de la ESA sobre el fondo cósmico de microondas (CMB), incluyendo su polarización. Se esperan unos 35 artículos científicos, que incluirán uno en colaboración con BICEP2, sobre la contribución del polvo galáctico en los modos B observados en la polarización del CMB.

Mi charla en Naukas Bilbao 2014 será sobre este tema. Recuerda que el 26 y 27 de septiembre tienes que visitar la «capital del mundo» (Bilbao). Prepara tu viaje con tiempo… Permíteme unos comentarios sobre la situación de este tema a día de hoy (el 26 por la tarde hablaré de la situación a fecha 25 de septiembre).

Nos lo cuentan en su reciente charla François R. Bouchet, «Planck Overview: 2013 Results. Since and Next,» Frontiers of Fundamental Physics 2014, 16 Jul 2014 [PDF slides, Video talk], y Paul Shellard, «Planck Results for the CMB,» SUSY 2014, 22 Jul 2014 [PDF slides].

Dibujo20140724 2014 preview - bouchet for planck - esa

Se publicará un nuevo mapa del CMB usando el doble de datos que en marzo de 2013. Además de mejorar el error de origen estadístico, ahora se conocen mejor los detectores. Se han identificado gran número de errores sistemáticos que no se tuvieron en cuenta. La discrepancia entre Planck y WMAP (que conté en mi charla Naukas Bilbao 2013) ya tiene explicación (pero la sabremos en octubre).

Dibujo20140724 2014 planck base LCDM model 6 parameters - bouchet for planck - esa

 

¿Cambiarán los parámetros cosmológicos? Por supuesto, pero cambiarán poco su valor. Hay que recordar que para estimar bien el parámetro τ (profundidad óptica de reionización) hay que usar la polarización del CMB. En marzo de 2013 se usó el mapa de polarización del telescopio espacial WMAP de la NASA (que en la figura se indica como Planck+WP). Los nuevos datos podrán prescindir de WMAP.

Dibujo20140724 bao acoustic-scale distance ratio - esa planck - esa

Hay que destacar que los datos de Planck de marzo de 2013 son compatibles con las medidas de la oscilación acústica de bariones (BAO). Quizás no recuerdas que los datos de WMAP7+SPT mostraban cierta discrepancia. Por tanto los nuevos datos permitirán estimar mejor la ecuación de estado de la energía oscura (que ahora mismo es consistente con w+1=0).

Dibujo20140724 planck 353 GHz map - polarization fraction - bicep2 field - esa

¿Qué aportará Planck sobre el polvo como explicación a los modos B observados por BICEP2? Para estimar la contribución del polvo se utiliza el mapa de polarización a 353 GHz. Sin embargo, el mapa publicado en mayo para la fracción de polarización ha omitido la ventana de BICEP2 porque en dicha región la relación señal/ruido es muy baja. Nadie espera que esto cambie cuando se publiquen los nuevos resultados en octubre.

Dibujo20140724 bicep2 field on planck 353 GHz map - polarization fraction - bicep2 field - esa

Las colaboraciones BICEP2 y Planck han firmado un acuerdo que dará lugar a un artículo a finales de año sobre la contribución estimada del polvo en los modos B observados por BICEP2. Un análisis riguroso requiere combinar los datos raw de Planck a varias frecuencias con los de BICEP2. No es fácil pues la sensibilidad de sus bolómetros es muy diferente. Por ello, a día de hoy, nadie sabe si este artículo conjunto resolverá la cuestión de forma definitiva.

Dibujo20140724 bicep2 planck - b-mode future - esa

Los datos de Planck nos dicen que la distribución de polvo es muy anisótropa y muestra mucha dispersión en el cielo visible. Hay regiones  con poco polvo (menos de 0,038 MJy/sr), mientras que el valor promedio es 0,06 MJy/sr. No se sabrá cuánto polvo hay realmente en la ventana de BICEP2 hasta que se publiquen nuevos datos de alta resolución en dicha ventana a varias frecuencias (Keck-BICEP2, BICEP3 y otros).

Dibujo20140724 2014 dust PS at high latitudes and BICEP2 B modes - bouchet for planck - esa

¿Observará Planck los modos B cosmológicos? BICEP2 ha observado poco más del 1% del cielo a una sola frecuencia 150 GHz. Planck buscará modos B en el 70% del cielo a dos frecuencias (100 GHz y 143 GHz), es decir, en unas 50 regiones del tamaño de la ventana de BICEP2. No sabemos cuántas mostrarán modos B (quizás entre 30 y 40) y cuántas los mostrarán en las dos frecuencias (lo que permitirá separar la señal cuyo origen es la emisión del polvo galáctico). La sensibilidad de los bolómetros de Planck a la polarización es inferior a la de BICEP2. Quizás la estadística permite superar esta barrera.

Dibujo20140724 theory - b-mode oplarization - planck - esa

Como es obvio, la posibilidad de que Planck observe los modos B cosmológicos depende mucho del varlor de r (el porcentaje (100 r %) de energía potencial del campo inflatón que durante la recombinación tras la inflación dio lugar a ondas gravitacionales en el espaciotiempo). Si el valor es similar a r=0,2, valor obtenido por BICEP2, será observado fácilmente por Planck. Sin embargo, si el valor se acerca a r=0,01 (el límite inferior de Planck) aparecerán múltiples dificultades**. El efecto del polvo galáctico en la búsqueda de modos B no sólo afecta a BICEP2, también afectará mucho a Planck. Además hay que eliminar la contribución de «lensing» y otros efectos.

Dibujo20140724 consequences dust planck and BICEP2 B modes - bouchet for planck - esa

Usando el mapa a 353 GHz, Planck puede promediar la contribución del polvo en las regiones de latitudes altas y usar dicho promedio como información razonable sobre la ventana de BICEP2. ¿Será suficiente para clarificar el asunto? Casi seguro que no, pues como ya he dicho la distribución del polvo galáctico en el cielo visible presenta mucha dispersión (hay regiones  con muy poco polvo y otros con mucho polvo). Un valor promedio da cierta idea, pero no resuelve la cuestión en liza.

Dibujo20140724 milky way magnetic fields - esa planck collab

¿Por qué emite el polvo microondas polarizadas? El polvo está formado por pequeños granos submilimétricos que están «calientes» a unos 40 K (233 ºC bajo cero), emitiendo térmicamente en microondas con un pico alrededor de 400 GHz. Los granos de polvo con forma alargada emiten microondas polarizadas. Para que la fracción de emisión polarizada sea significativa es necesario que los grandes campos magnéticos de la galaxia alineen grandes cantidades de este polvo «elipsoidal».

No conocemos los campos magnéticos de la galaxia en la región que puede afectar a la ventana de observación de BICEP2. De hecho, para calcularlos, Planck utiliza la señal de polarización medida a 353 GHz. Esta figura muestra el mapa actual.

Dibujo20140724 planck versus jla - snls - sdss - bouchet for planck - esa

Los datos de Planck publicados en 2013 son muy robustos. Una buena prueba de ello es la buena comparación con los de JLA (SDSS+SNLS) publicados en enero de 2014. Sin embargo, con toda seguridad habrá sorpresas agradables en octubre. Este año promete ser apasionante. Mi idea en mi charla para Naukas Bilbao 2014 es transmitir parte de dicha pasión. Y que disfrutes.

** PS 28 Jul 2014: En realidad con los datos que se publicarán en octubre/noviembre la sensibilidad de Planck al valor de r es de 0,04, siendo necesarios futuros análisis, para alcanzar el límite teórico de 0,01. Por tanto, lo que podemos esperar en octubre/noviembre es un valor de r=0,?? ± 0,04 al 95% CL, en el mejor caso, o una cota r<0,04 al 95% CL en el peor caso. Más información en la página 12 de la charla de Julien lesgourgues, «Planck Satellite and Particle Physics,» SEWM14, 17 Jul 2014 [PDF slides].



6 Comentarios

    1. Antonio lo que no se entiende es de donde sacas tu la absurda conclusión de que el equipo de BICEP2 falseó los datos. Como te dije anteriormente su trabajo cumple con los estándares de calidad exigibles en su campo, de hecho, no fue hasta varios meses después cuando los expertos detectaron un posible problema, cosa que en este tipo de trabajos al límite de la resolución disponible es fácil que suceda. BICEP2 utilizó los mejores datos disponibles sobre el polvo galáctico y usó 6 modelos diferentes para estimar su contribución. ¿Que es lo que se supone que BICEP2 tenía que hacer, esperar varios años para publicar? Como dice Fer el trabajo fue publicado por Physical Review Letters cuyos revisores no piensan que se falsearon los datos ¿o es que tu tienes más información que ellos?
      Lo que dices no tiene sentido y tu última frase refleja tus prejuicios infundados hacia BICEP2: da igual lo que digan, da igual lo que publiquen, incluso da igual si al final el valor de r es 0,2, su trabajo es incorrecto por que lo digo yo y punto.

    2. Cherry-picking habría sido que desestimaran arbitrariamente datos que no mostraran el exceso en señal B cerca del multipolo 100, cuestión que no ocurre en este caso. ¿Crees que ese exceso sea real? Yo estoy seguro que si. ¿Es la interpretación de ondas gravitacionales primordiales la única? Ciertamente no, pero cuando la interpretación no es única los científicos no guardan silencio, sino que postulan posibles respuestas. Comparémoslo con lo que hicieron Penzias & Wilson el 65, donde dicen sencillamente :»Detectamos un exceso a 4.1 GHz . Hicimos lo mejor que pudimos y concluimos que viene del cielo y es isotrópico. Una posible interpretación la dan Dicke, Peebles, Roll & Wilkinson en este volumen».

  1. Antonio dice «yo no estaría tan seguro de que sólo use esas 2 frecuencias. Yo apostaría por los mapas a 30, 44 y 70 GHz.»

    Los bolómetros LFI de Planck no tienen sensibilidad suficiente para observar los modos B en la polarización del CMB (no están diseñados para ello). Su misión será obtener el mapa más preciso hasta el momento de los modos E en la polarización del CMB. Permitirán estudiar la emisión sincrotrón galáctica (uno de los foregrounds de los modos B), algo que será fundamental para que futuros experimentos como QUIJOTE puedan medir los modos B.

    Saludos
    Francis

    1. Antonio, no entiendo tu comentario. ¿Dónde se habla en la transparencia 39/42 de que el instrumento LFI pueda observar modos B? La página 39 de 42 de esta charla dice:

      Title: Dust polarization (no habla del instrumento LFI, pues para estudiar la polarización del polvo se usa sólo HFI)

      Source: Planck collaboration 2014 arXiv:1405.0871)

      «Thermal dust emission is linearly polarized, dominates at ν > 100 GHz and presents a complex pattern in the sky.»

      La emisión térmica del polvo que emite radiación polarizada linealmente emite a más de 100 GHz (de hecho su pico está en 400 GHz).

      «The degree of polarization shows a strong variation, with a tendency to grow at high Galactic latitudes. It is not clear that the CMB B-mode polarization can be measured directly at any region of the sky without a significant subtraction of dust polarization at ν > 100 GHz.»

      El cociente entre la emisión polarizada del polvo y la emisión total varía mucho en el cielo. Según los datos intermedios de Planck publicados en mayo, este cociente tiende a crecer conforme la latitud crece. Para extraer modos B en la polarización del CMB hay que substraer la señal que está delante (foreground) debida al polvo (esto pasa con todos los análisis del CMB). Como es obvio, donde hay una señal clara del polvo (entre 100 y 400 GHz) hay que tener mucho cuidado con no confundir modos B «ficticios» debidos al polvo y modos B «verdaderos» en el CMB (sean gravitatorios o debidos a «lensing»).

      «Motivated by the recent claimed detection of the PGW background by BICEP2, the study of the synchrotron and specially polarized dust emissions at intermediate and high galactic latitudes (including BICEP2 region) is a priority for the Planck collaboration. Planck has the capability to disentangle between dust and CMB B-mode signals.»

      El resultado de BICEP2 sobre modos B asociados a ondas gravitacionales ha generado polémica. Una prioridad de Planck es estudiar los «foreground» para la polarización CMB a latitudes galácticas intermedias y altas (estas últimas de interés para BICEP2); por debajo de 100 GHz, radiación sincrotrón, por encima de 100 GHz, polvo que emite en polarización. Planck puede distinguir los modos B del polvo (fue diseñado para ello).

      «Results are expected to be published soon.»

      Antonio, ¿no te habrás confundido de charla?

      Quizás te refieres a la transparencia 38/42 de dicha charla, que dice:

      Title: Foregrounds in polarization (señales de primer plano que son «ruido» para la polarización del CMB)

      Source: Tucci, M.-G., Vielva, Delabrouille 05 (arXiv:astro-ph/0411567)

      «With no foreground removal only the CMB E-mode polarization can be seen at ν ≈ 100 GHz and some multipole ranges.»

      Sin eliminar las señales de primer plano sólo se pueden observar modos E en el CMB con frecuencia alrededor de 100 GHz.

      «After reducing the Galactic foregrounds by a factor 10 the CMB B-mode polarization with r=0.1 can be seen at ν ≈ 100 GHz and multipoles l ≤ 100.»

      Las estimaciones de Enrique Martínez-González y sus colegas realizadas en 2004 indican que la señal a 100 GHz debida al polvo podría ser unas diez veces más grande que la señal de modos B (para r=0,1). Luego para observar modos B a 100 GHz hay que reducir/eliminar la señal del polvo en un factor de 10.

      Por supuesto, esta estimación de 2004 es muy grosera y hemos aprendido mucho del polvo en 2014 que no se conocía en 2004.

      Antonio, la verdad, no sé donde lees información sobre LFI en transparencias donde se habla de HFI. Yo debo estar muy perdido.

      Saludos
      Francis

      1. Antonio, los protocolos para caracterizar la «cola» del polvo entre 100-150 GHz, cuyo pico está a 400 GHz, para separar los modos B en dicha región dependen mucho del instrumento, pero en líneas generales son bien conocidos (son los ya aplicados por PolarBear, BICEP2, SPTPol, etc.). Una vez caracterizado, se elimina su contribución (como se hace con los foreground galácticos y extragalácticos en el CMB). No creo que te conteste con detalles técnicos específicos de Planck (más allá del libro azul de Planck), pero seguro que te enviará a alguno de los cientos de artículos en los últimos 20 años que indican como se hace de forma general.

        Saludos
        Francis

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 25 julio, 2014
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Planck • Science
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