SPTpol observa los modos B (pero no los cosmológicos) en el fondo cósmico de microondas

Por Francisco R. Villatoro, el 28 noviembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 8

En opinión de todos los expertos, la inflación cósmica recibirá un Premio Nobel cuando se observen los modos B cosmológicos en la polarización del fondo cósmico de microondas (CMB). El telescopio espacial Planck, de la ESA, no pudo observarlos; los telescopios terrestres BICEP tampoco. Hay un velo de polvo galáctico que nos impide observarlos. Sin embargo, se han observado los modos B debidos al efecto de lente gravitacional sobre los modos E. La medida más precisa hasta ahora la acaba de publicar SPTpol. Un gran resultado observacional que ha pasado a la chita callando por muchos medios.

SPTpol (polarization South Pole Telescope) estudia la polarización del CMB con bolómetros a dos frecuencias, 95 GHz y 150 GHz. Usando un campo de observación de 500 grados cuadrados ha obtenido el espectro multipolar de los modos E y los modos B en el rango de multipolos 52 < ℓ < 2301. Se han obtenido mapas de correlación cruzada 95 GHz × 95 GHz, 95 GHz × 150 GHz, y 150 GHz × 150 GHz. Se han observado los modos B (inducidos por el lensado gravitacional de los modos E) a 18.1 σ, la mejor estimación hasta ahora para modos con  ℓ > 320. Para los modos B cosmológicos (que no se han observado) se estima un parámetro r (cociente escalar-a-tensorial) de r < 0.44 al 95% CL; recuerda que Planck+BICEP2+Keck estiman que r < 0.062 al 95% CL (LCMF, 22 oct 2018). En cuanto al parámetro de lensado para correlaciones a dos puntos se obtiene AL = 1.17 ± 0.13 (en buen acuerdo con la estimación de Planck); recuerda que con correlaciones a cuatro puntos se obtiene AL ≈ 1 (como predice el modelo cosmológico de consenso ΛCDM). These data are currently the most precise measurements of B-mode power at ℓ>320.

El artículo es J.T. Sayre, C. L. Reichardt, …, V. Yefremenko, “Measurements of B-mode Polarization of the Cosmic Microwave Background from 500 Square Degrees of SPTpol Data,” arXiv:1910.05748 [astro-ph.CO] (13 Oct 2019 13:26:52 UTC (717 KB). Más información sobre SPTpol en J. E. Austermann, K. A. Aird, …, O. Zahn, “SPTpol: an instrument for CMB polarization measurements with the South Pole Telescope,” Proc. SPIE 8452: 84520E (27 Sep 2012), doi: https://doi.org/10.1117/12.927286arXiv:1210.4970 [astro-ph.IM] (17 Oct 2012).

Se llama SPTpol a la versión actual (desde enero de 2012) del Telescopio del Polo Sur (SPT) de 10 metros que está situado en la base Amundsen–Scott de la Antártida. Recoge la luz de microondas y la enfoca en una matriz de bolómetros de precisión sensibles a la polarización del CMB a dos frecuencias, 95 GHz y 150 GHz. La polarización de los fotones del fondo cósmico de microondas (CMB) se caracteriza por los parámetros de Stokes U y V. Su interpretación física es más sencilla si se combinan para obtener los modos E y B, siendo los E originados por campos escalares (materia) y los B por campos tensoriales (gravitación). Los modos E primordiales han sido medidos con gran precisión por el telescopio espacial Planck y otros telescopios terrestres. El efecto de lensado gravitacional debido a la materia entre nosotros y la esfera donde se originaron los fotones del CMB que nos llegan ahora da lugar a modos B inducidos por los modos E.

El nuevo resultado es la medida más precisa de los modos B (no cosmológicos) para multipolos por encima de 320. Un resultado que complementa otras medidas en curso, y da pie las medidas futuras, realizadas con observatorios espaciales o en globos aerostáticos (IDS, PIPER, SPIDER, LiteBIRD, PICO), así como las realizadas con observatorios en tierra firme (C-BASS, NEXT-BASS, QUIJOTE, AdvACTPOL, BICEP3+Keck, BICEPArray, CLASS, SO, SPT3G, S4). Todos deseamos que se observen los modos B cosmológicos, pero lograrlo en la próxima década es un reto enorme y aún no hay garantías de que se logre.



8 Comentarios

  1. Muchas gracias por la noticia Francis. Muy interesante 🙂

    Off-topic:
    “En opinión de todos los expertos, la inflación cósmica recibirá un Premio Nobel cuando se observen los modos B cosmológicos en la polarización del fondo cósmico de microondas.”

    Estoy de acuerdo con esta frase. Basta recordar ese famoso video (donde tras la falso positivo para modos B de Bicep2) un estudiante graduado de Stanford acude a la casa de Andrei Linde a informarlo y celebrarlo. Los expertos consideran los modos B como una señal característica de inflación.

    Sin embargo me gustaría introducir un poco de polémica y recomendar a los apasionados de la cosmología la siguiente charla:
    Robert Brandenberger, Is B-Mode Polarization of the CMB the Holy Grail of Inflation? https://www.youtube.com/watch?v=VpbGD-WhEAs (Al principio el audio es muy malo, sin embargo en 1:40 mejora bastante y la charla es audible.)

    La charla es super interesante y emocionante. Repleta de ideas poco ortodoxas pero con datos históricos y físicos sutiles. Un criticismo a la las ideas de la Inflación cósmica que vale la pena escuchar. Muy recomendable también los artículos de Brandenberger sobre las mismas líneas.

    Un saludo.

    1. Interesante charla Ramiro. Como bien sabes existe un debate reciente muy interesante sobre si la inflación cósmica estándar debe de ser revisada o incluso sustituida por alguna teoría alternativa. El origen de este debate es la propuesta de Vafa de la denominada “Trans-Planckian Censorship Conjeture (TCC)” cuyas consecuencias para la inflación son explicadas en este interesantísimo artículo: https://arxiv.org/abs/1909.11106 Para los que no hayan oído hablar de este tema, la TCC se basa en una asunción más que razonable: las fluctuaciones cuánticas primordiales “amplificadas” durante la inflación (las semillas de las galaxias actuales) no pueden proceder de distancias menores que la longitud de Planck. Esto impone unas severas restricciones a la energía y la duración de la inflación: la energía a la que se produjo la inflación debe ser menor que 10exp9 GeV esto es ¡6 ordenes de magnitud menor que la energía GUT! Otra implicación es que el valor de r debe ser menor de 10exp-30 ¡Este valor es casi imposible de observar! Vafa va incluso más alla y hace una afirmación sorprendente: si la TCC es cierta y se llegasen a observar ondas gravitatorias primordiales ¡ estas no pueden proceder de la inflación cósmica! Evidentemente Vafa es un firme defensor de la teoría de cuerdas y propone como alternativa a la inflación por ejemplo la “String Gas Cosmology”. Personalmente no conozco muy bien las alternativas a la inflación basadas en teoría de cuerdas pero en mi inexperta opinión la TCC de Vafa parece absolutamente inevitable. Ya hay otros trabajos que permiten relajar un poco las restricciones de la TCC pero, aún así, parece un duro golpe a la teoría de la inflación estándar. La detección de los modos B primordiales podría ser la clave: si en un futuro se detectasen y se pudiese discriminar su origen (no se si esto será posible) entre por ejemplo defectos topológicos (cuerdas cósmicas) o inflación ¡podríamos obtener un sólido indicio sobre la validez o no de la teoría de cuerdas! Recordemos que uno de los problemas más graves de la teoría de cuerdas es su dificultad para generar espacio-tiempos de-Sitter como los que requiere la inflación. En resumen: la física teórica sigue generando apasionantes debates sobre las características más fundamentales de nuestro Universo ¿Llegaremos a la respuesta final?

      1. Habéis descifrado mis intenciones Planck 🙂

        Algunos comentarios para enriquecer el gran resumen que ha escrito Planck:

        -Vafa tiene un entendimiento profundo del funcionamiento de la teoría de cuerdas y la filosofía que ha motivado sus recientes artículos (buscar una física del universo temprano derivada de primeros principios desde una teoría UV/IR completa) es sana, importante y es el fin último de la búsqueda. Esto lo digo porque muchas de sus conjeturas cosmológicas (no dS estables/metaestables, energía oscura dinámica, no inflación y TCC) son afirmaciones que están muy lejos de estar establecidas (aún como conjeturas) entre los expertos. Mi opinión de humilde entusiasta coincide con la de Planck, la TCC me parece natural en teoría de cuerdas.Las consecuencias son muy drásticas.

        -Lo importante: Me parece que todo este criticismo contra las ideas inflacionarias es sano, aún si inflación resulta ser la física correcta de la época primordial del universo tendrá que superar estos argumentos sobre sus supuestos ajustes finos, predicciones y finalmente ser embebida en una teoría cuántica de la gravedad consistente. Y el caso contrario es terriblemente excitante, la posibilidad de observar algún indicio experimental de la teoría de cuerdas o por fin ponerla en serios aprietos.

        Planck: ¿Conocéis este argumento https://arxiv.org/abs/gr-qc/0110012 ? Se trata de un teorema que afirma que los espaciotiempos inflacionarios son geodésicamente incompletos en el pasado remoto (luego se necesita introducir nueva física). Al parecer es bastante famoso (y robusto) y yo no estaba al tanto de el. Tal vez te pueda interesar.

        Gracias por tus comentarios Planck, siempre es un gran placer leerte.

        1. Muy interesante Ramiro, reconozco que no conocía ese resultado. Parece un argumento bastante claro de que la inflación no puede ser toda la historia, debe existir nueva física a nivel más fundamental… ¿Algún candidato? Creo que tenemos uno que lleva mucha ventaja sobre los demás ¿Seremos capaces de detectar sus “sombras” a baja energía? Veremos que nos depara esta apasionante búsqueda.
          Gracias a ti por tus muy interesantes comentarios y enlaces. Un saludo.

    2. Por cierto, me gustaría reconocer la enorme labor de Vafa, que probablemente sea el físico que más contribuciones está realizando en los últimos años sobre todo con sus conjeturas Swampland. Estas conjeturas permiten restringir enormemente el número posible de “effective field theories” compatibles con lo que sabemos sobre gravedad cuántica. Es muy importante seguir estudiando si estas conjeturas son sólidas y sus profundas consecuencias. Sin duda la física teórica sigue incansable su camino hacia una teoría cuántica de la gravedad y del espacio-tiempo. Un saludo amigo Ramiro.

      1. Soy un lego, pero he buscado y estudiado bastante literatura al respecto de alternativas para inflación basadas en la teoría de cuerdas. Me permito recomendar (espero no le moleste a Francis) lo siguiente:

        La clave es buscar charlas y artículos de Robert Brandenberger.

        Divulgación https://arxiv.org/abs/1911.06058
        Visión general de la cosmología de gas de cuerdas https://arxiv.org/abs/1105.3247
        Notas sobre cosmología de gas de cuerdas https://arxiv.org/abs/0808.0746
        Alternativas para inflación desde teoría de cuerdas https://arxiv.org/abs/0902.4731 https://www.youtube.com/watch?v=kYhq5HTDAG8

        Ojalá le pueda interesar a alguien.
        Saludos

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