El primer resultado de BICEP3 para las ondas gravitacionales primordiales limita r < 0.036

Por Francisco R. Villatoro, el 11 octubre, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Planck • Science ✎ 8

La prueba de fuego de la inflación cósmica es la observación de los modos B en la polarización del fondo cósmico de microondas; su origen serían las ondas gravitacionales primordiales generadas durante el recalentamiento (fase final de la inflación). Se acaba de publicar el primer resultado del experimento BICEP3, con datos hasta 2018 (BK18), que combinado con experimentos previos limita r < 0.036 al 95 % CL, lo que mejora un poco el mejor resultado previo de SPTpol, r < 0.44 al 95 % CL (LCMF, 28 nov 2019). BICEP3 observa a 95 GHz (BICEP2 observaba a 150 GHz), mientras el Keck Array observa a 95, 150 y 220 GHz. No se han observado los modos B primordiales, pero se ha logrado una relación señal-a-ruido para los modos B espurios, debidos a la emisión polarizada del fondo de polvo galáctico, mejor que la obtenida por Planck a 353 GHz. Un gran resultado de BICEP3+Keck que anticipa un gran futuro para el BICEP Array (que promete alcanzar r < 0.01).

Los modos B primordiales (originados por la inflación) se caracterizan por el parámetro r, el cociente entre los modos tensoriales (asociados a las ondas gravitacionales primordiales) y los modos escalares (asociadas a las fluctuaciones de densidad de energía). Los modelos inflacionarios predicen que las fluctuaciones primordiales escalares tienen un espectro dado por una ley de potencias con un índice espectral ns < 1 (para fluctuaciones invariantes de escala sería ns = 1). Así, como muestra la figura que encabeza esta pieza, los modelos inflacionarios se comparan en función de su predicción para el plano ns versus r; el nuevo resultado descarta los modelos inflacionarios con un potencial convexo y los que tienen un potencial cóncavo con una potencia mayor de 2/3 (hilar más fino es hilar demasiado). Quizás recuerdes que en 2014 se publicó que BICEP2 había observado r=0,20 ± 0,07 (LCMF, 17 mar 2014), pero al final resultó ser una señal espuria debido a la emisión del polvo galáctico (LCMF, 22 sep 2014).

El nuevo artículo es BICEP/Keck Collaboration, «BICEP / Keck XIII: Improved Constraints on Primordial Gravitational Waves using Planck, WMAP, and BICEP/Keck Observations through the 2018 Observing Season,» Phys. Rev. Lett. 127: 151301 (04 Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.151301, arXiv:2110.00483 [astro-ph.CO] (01 Oct 2021); también recomiendo BICEP/Keck Collaboration, «BICEP / Keck XV: The BICEP3 CMB Polarimeter and the First Three Year Data Set,» ApJ (submitted), arXiv:2110.00482 [astro-ph.IM] (01 Oct 2021). [PS 12 oct 2021] Recomiendo la pieza (ya corregida) de Daniel Meerburg, «Squeezing down the Theory Space for Cosmic Inflation,» APS Physics 14: 135 (04 Oct 2021) [web]. [/PS]

Te recuerdo lo más básico. La polarización del fondo cósmico de microondas solo tiene componentes lineales (parámetros de Stokes Q y U), sin componentes circulares (parámetro de Stokes V). Lo habitual es transformar las componentes Q y U en dos tipos de modos, llamados modos E (tipo gradiente o de rotacional nulo) y modos B (tipo rotacional o de divergencia nula); esta descomposición tiene la ventaja de que las fluctuaciones primordiales en la densidad solo producen de forma directa modos E, con lo que los modos B tienen su origen en las fluctuaciones primordiales tensoriales debidas a gravitación. Así los modos B son una prueba de la existencia de ondas gravitacionales primordiales inducidas por la transferencia de energía del campo inflatón al espaciotiempo; por ello se consideran la señal que encenderá la mecha de un Premio Nobel de Física a la inflación cósmica (que por lo demás está fuera de toda, aunque no sabemos qué modelo la describe).

Por supuesto, la observación de modos B es mucho más difícil que la de modos E, la razón es que su amplitud es un orden de magnitud menor (en la figura se muestran los mapas de BICEP3 para los modos E con una sensibilidad de ±1.5 μK y para los modos B con ±0.3 μK). Además, existen modos B espurios inducidos por los modos E (debido al efecto de lente gravitacional de la materia durante el trayecto de los fotones desde la esfera donde se origina el fondo cósmico de microondas y nuestros instrumentos) y además modos B ficticios debidos a la emisión polarizada del polvo que rodea nuestra galaxia. Sabemos distinguir los modos B primordiales de estos otros modos B, pero hasta ahora solo hemos observado estos últimos; los modos B primordiales, los que de verdad queremos detectar, aún no han sido observados.

El telescopio BICEP3 observa la polarización del fondo de microondas usando 2560 detectores a 95 GHz desde 2016 (en 2015 su usaron menos detectores). El Keck Array está formado por cinco telescopios que pueden observar a 95, 150 y 220 GHz según sea necesario (cada año se han usado diferentes combinaciones y además el número de detectores usado ha variado entre 992 y 2480). El prototipo del futuro BICEP Array empezó a tomar datos en 2020. En el nuevo artículo la colaboración BICEP/Keck combina los mapas recabados por BICEP2, BICEP3 y KecK con datos hasta 2018 inclusive (por ello el nuevo resultado se marca como BK18).

Todos estos instrumentos observan un trozo del cielo; por ello lo habitual es combinar sus nuevos resultados con los resultados del telescopios espacial Planck de la ESA (mapas TT, TE y EE, pues no observó ni BB, ni TB, ni EB), así como los resultados BAO de los cartografiados galácticos (y los mapas de lensado gravitacional de Planck). El nuevo resultado de BICEP3/Keck mejora mucho los resultados de Planck, pero no tanto los resultados de SPTpol; aún así, junto con estos últimos no deja lugar a dudas de que r < 0.05 (el límite superior alcanzable por Planck).

El fondo de ruido en la búsqueda de modos B está dominado por la radiación sincrotrón para menos de unos 75 GHz y por la emisión polarizada del polvo galáctico para frecuencias mayores. Esta figura muestra la incertidumbre en el ruido para el multipolo ℓ ≈ 80 en función de la frecuencia. La nueva medida de BICEP3/Keck para 220 GHz (punto 220×220) estima mejor el nivel de la emisión de polvo que Planck (P353×P353), BICEP2+Planck (150×P353) y BICEP3+WMAP (95×W23). Se espera que los mapas de BICEP3 recabados entre 2019 y 2020 reduzcan en un factor de 2 el ruido para 95×95 y en un factor de √2 para 95×W23. La clave para desvelar la señal cosmológica de modos B es eliminar el velo galáctico debido al fondo de ruido; para ello se requiere caracterizar muy bien dicho ruido, por ello alcanzar sensibilidades muy inferiores al nivel del ruido es muy relevante.

Esta figura muestra los límites superiores actuales para los modos B cosmológicos en función de los multipolos considerados. Los nuevos datos de BICEP3 están marcados como BK18 (2021); para ℓ > 100 se observa que siguen la curva de modos B debidos al lensado de modos E que es compatible con los resultados de PolarBear (2017), SPTpol (2019) y ACTpol (2020), cuyos datos están alrededor de ℓ ≈ 1000. Hay que destacar que el punto para ℓ ≈ 100 está un poco por encima, como se esperaría para la suma de modos B primordiales con r = 0.03 sobre los modos B debidos al lensado; aunque no se pierde la esperanza de que el BICEP Array observe los modos B primordiales, por ahora no se puede afirmar que el exceso observado para ℓ ≈ 100 tenga un origen cosmológico.

En resumen, un gran resultado de la colaboración BICEP/Keck. A todos nos gustaría que se hubieran observado los modos B cosmológicos, pero todo apunta a que se necesitarán telescopios espaciales específicos para lograrlo (LiteBIRD, COrE, PICO o PIXIE). Así el Premio Nobel para la inflación tendrá que esperar al menos una década (quién sabe cuántos pioneros seguirán vivos para entonces). Hasta entonces habrá que seguir al tanto de futuros resultados de BICEP3 y Keck Array.



8 Comentarios

  1. Muy interesante Francis. Quiza estaria bien comentar esto en algun episodio de coffe break 🙂
    Tengo entendido que no hay ningun limite inferior para el valor de r por lo que aunque no se detectasen los modos B en todo este siglo, eso no descartaria la teoria de la inflacion. Sin embargo, queria preguntar, a partir de qué valores podrías considerar que la comunidad de cosmólogos empezaría a dudar sobre la inflación en caso de seguir sin detectar los modos B primordiales.

    Gracias y un saludo

    1. Javier, lo primero, la inflación cósmica es un hecho observacional (como la energía oscura o la materia oscura); de hecho, podría recibir el Nobel por ello. Ningún cosmólogo tiene dudas sobre la existencia de la inflación. Por supuesto, hay quien se opone a la existencia de un campo escalar responsable de la inflación (el inflatón); estos cosmólogos que dudan del inflatón (Penrose, Steinhardt, etc.) proponen teorías alternativas que describen un proceso inflacionario (tan parecido a la inflación como es necesario para ajustar las observaciones, repito, porque la inflación es un hecho), pero con un origen alternativo, un «impostor del inflatón» (hay muchas propuestas). Pero ningún cosmólogo duda de la inflación, per se, pues no se puede dudar de los hechos observacionales.

      La idea de que los modelos inflacionarios basados en un campo inflatón no son falsables ha sido popularizada por algunos divulgadores (Woit, Siegel, Hossenfelder, etc.), en base a la existencia de modelos inflacionarios que pueden ajustar cualquier valor de r>0 . Pero lo cierto es que hay varios límites inferiores al valor de r que podemos llegar a observar estudiando la polarización del fondo cósmico de microondas (CMBpol); valores de r < 10⁻⁴–10⁻⁵ son imposibles de observar en la práctica (ni con la tecnología actual, ni con ninguna tecnología futura concebible); por supuesto, podría existir otra manera de observar de forma indirecta r sin usar la CMBpol, pero ahora mismo nadie la ha concebido.

      1. Gracias por la respuesta Francis. Esperemos entonces que starobinsky, Linde y Guth entre otros sigan vivos para recibir el Nobel en algun momento de las proximas dos decadas.

      2. Corríjame si le apetece (le advierto que tampoco merece la pena), porque seguro que estoy equivocado. ¿No está usted confundiendo los «hechos observacionales» con la teoría que «verifican»?. Tenía entendido que el «hecho observacional» son las características del fondo cósmico de microondas que la teoría de la inflación predice. Pero no por eso deja de ser una teoría (o un conjunto de teorías).
        Además, ¿no se supone que cualquier evento anterior a la formación del fondo cósmico de microondas es inobservable?. Si esto es así, la inflación podrá ser una teoría verosímil, pero no puede ser un «hecho observacional».

        P.D. Supongo que lo que dice Hossenfelder en estos vídeos le hará mucha gracia o le picará la barba. A mí tampoco me convence en muchas cosas (su apuesta por el reduccionismo fisicalista, el eternalismo del universo bloque, el superdeterminismo, la inexistencia del paso del tiempo o el libre albedrío…), pero la tía es una debunker vocacional.
        https://www.youtube.com/watch?v=VHhUCav_Jrk
        https://www.youtube.com/watch?v=JETGS64kTys

    1. Javier, lo dice el texto: «el cociente entre los modos tensoriales (asociados a las ondas gravitacionales primordiales) y los modos escalares (asociadas a las fluctuaciones de densidad de energía)». Si lo prefieres con otras palabras: tras el recalentamiento (el fin de la inflación) el cociente entre la energía inflacionaria transferida al contenido del espaciotiempo (materia y radiación) y la trasferida al continente (el propio espaciotiempo, que oscila produciendo ondas gravitacionales primordiales). Como la inflación es una expansión del espaciotiempo, se espera que parte de su energía se transfiera al propio espaciotiempo en el recalentamiento; por ello, observar dicha energía (modos tensoriales o modos B en el fondo cósmico de microondas) se considera una nueva prueba firme de la inflación; con la gran ventaja de que permite estimar la escala de energía a la que ocurrió este proceso (estimar esta escala se considera motivo de un Premio Nobel).

  2. Gracias por el artículo. Muy interesante. Un detalle. En el titular se habla de r < 0.039, pero luego en el texto veo r < 0.036. No sé si estoy equivocado o es una erratilla.

    Saludos.

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