Ondas gravitacionales producidas en los primeros instantes del Big Bang

 
 

 
 

(Julio/2014: surgen problemas con los resultados del experimento Bicep2: véase actualización abajo)

El 16 de marzo (2014) los científicos a cargo del experimento Bicep2 -- un telescopio especial colocado en Antártida -- anunciaron la detección de ondas gravitacionales primordiales originadas en las primeras fracciones de segundo después del origen del universo hace 13.800 millones de años. Esta noticia tuvo gran resonancia entre la comunidad de astrofísicos, cosmólogos, físicos de partículas y también la prensa mundial. Se considera que esta observación, de ser confirmada, constituye uno de los grandes descubrimientos que pasará a la historia. ¿qué fue exactamente lo que se descubrió? y ¿Por qué es tan importante este descubrimiento?

Para explicar las observaciones realizadas por Bicep2 es necesario acudir a una serie de conceptos relacionados con los procesos físicos que se dieron durante los primeros momentos del universo. En forma resumida, el Bicep2 es un telescopio con sensores que pueden detectar la polarización de la luz más antigua en el universo -- la radiación cósmica de fondo. Desde hace más de 10 años se han hecho esfuerzos por estudiar la polarización de la luz más vieja del universo para probar una teoría (la teoría de inflación) que predice la presencia de patrones específicos de polarización en esa luz. La teoría de inflación cósmica explica cómo se disparó el Big Bang, por eso estas mediciones son tan importantes. Este párrafo presenta en forma muy resumida lo que Bicep2 observó y las implicaciones cosmológicas, pero para entender bien todo esto es necesario repasar varios conceptos que se han mencionado: polarización, radiación cósmica de fondo, ondas gravitacionales e inflación.

La teoría del Big Bang sobre el origen del universo ha sido corroborada con un gran número de observaciones astronómicas que van desde determinar la abundancia de helio en el universo (correctamente predicha por el Big Bang) hasta la observación del fondo de radiación remanente del Big Bang junto con sus patrones característicos (también predichos por la teoría de Big Bang) dejados por procesos que ocurrieron en el universo recién formado hace 13.800 millones de años. Con los datos de observaciones astronómicas realizados en los últimos 50 años se ha podido trazar detalladamente lo que ha ocurrido en el universo a partir de 1 segundo después del origen. No se había podido observar antes de este momento porque no contábamos con la tecnología que permitían sondear hasta esas profundidades.

Esta barrera que nos bloqueaba la vista hacia los primeros instantes del universo fue levantada por el proyecto Bicep2 con finísimos detectores que tienen la capacidad de medir los patrones de polarización de la luz proveniente del Big Bang. Los científicos del Bicep2 anunciaron la detección de un patrón especial en la radiación dejada por el Big Bang, el cual revela que en los primeros instantes el espacio sufrió una expansión súper acelerada (llamada "inflación").

En qué consiste el descubrimiento?

La radiación cósmica de fondo es la energía proveniente del Big Bang. Esta energía es luz de baja frecuencia (correspondiente a las longitudes de onda de microondas) que llena todo el espacio. La teoría inflacionaria sobre cómo surgió el universo (es decir qué originó el Big Bang), la cual fue desarrollada por el americano Alan Guth (ahora en el MIT) y ruso Andrei Linde (Stanford), explica de manera natural la aparición de estructuras de galaxias y cúmulos de galaxias en el universo. De acuerdo a la teoría, esas estructuras aparecen debido a pequeñas fluctuaciones en la distribución de la materia, fluctuaciones que vienen a ser amplificadas por la expansión rápida del espacio y que vienen acompañadas de ondas gravitacionales.

En el plasma primordial que constituía el universo durante los primeros segundos la presencia de ondas gravitacionales modificaban la luz. Por lo tanto esas ondas gravitacionales primordiales (predichas por la inflación) deben dejar en la radiación de fondo un patrón característico en la polarización de la radiación cósmica de fondo. Ese patrón fue lo que detectó Bicep2 y es consistente con las predicciones del modelo inflacionario.

Este es el patrón de la polarización (llamado modo B) observado por Bicep2:

Mapa Bicep2

Bicep2 pudo detectar esta señal, que es extremadamente tenue, gracias a sensores de radiación muy sensibles (llamados bolómetros) colocados en el punto focal de un potente telescopio. Un bolómetro simplemente recoge la energía de la radiación y mide la cantidad de energía acumulada. En el Bicep2 estos sensores miden la polarización. Bicep2 fue instalado en el complejo Amundsen-Scott de Antártida, donde la atmósfera es suficientemente seca para permitir la medición (de lo contrario el vapor de agua en la atmósfera a otras latitudes absorbería la señal).

La señal detectada por Bicep2 (patrones de polarización tipo B en la radiación de fondo) es causada por ondas gravitacionales y constituyen una sonda directa que revela los procesos que ocurrían en el universo cuando comenzó el Big Bang. A pesar de que la senal de polarización es bastante débil, la combinación de muchas horas de observación y el análisis de datos permiten obtener un resultado de detección bastante robusto. En lenguaje técnico decimos que la observación de la polarización modo-B fue detectada a un nivel de 5-sigma, lo cual quiere decir que la probabilidad de que esta señal sea producida al azar por efectos estadísticos (ruido de los detectores, fluctuaciones, etc.) es de apenas 1 en 3.500.000.

Esta grafica presenta los resultados de la manera más compacta: es la intensidad de la señal en función de la escala angular, mejor dicho del tamaño de las estructuras como se ven sobre la esfera celeste. La curva (rojo) es la predicción teórica, los puntos (negros con barras de error) son las mediciones de Bicep2

BB spectrum Bicep2


Existen tres mecanísmos que producen la polarización de la radiación de fondo:

  • 1. las fluctuaciones en el espacio mismo producidas por ondas gravitacionales (llamadas modo B) que fueron detectadas por Bicep2;
  • 2. las fluctuaciones en la densidad de la materia (llamado polarización modo E) observadas por primera vez por el proyecto DASI en el 2002; y
  • 3. la polarización modo E (punto anterior) que son convertidas en modo B a su paso por una lente gravitacional generada por la presencia de un cúmulo de galaxias. Detectada por el proyecto SPTpol -- South Pole Telescope -- en el 2013.

La gráfica ilustra estos procesos:

Mode-B polarization

Otro resultado reportado por Bicep2 -- derivado de la señal de polarización -- fue la medición de la amplitud de las ondas gravitacionales. Este resultado, reportado como r = 0.2 es relativo a las fluctuaciones en la densidad de la materia. El valor del cociente r depende de la energía en el campo que disparó la inflación.

Los resultados obtenidos por Bicep2 son extraordinarios pero tienen que ser confirmados independientemente por otros experimentos. Aunque los científicos han tomado precaución y su análisis es muy riguroso todavía cabe la posibilidad de que la señal observada pueda ser originada por un efecto instrumental desconocido o por otra fuente no cosmológica (por ejemplo contaminación galáctica). En este momento hay otros proyectos (como el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea) que también están observando la polarización en la radiación cósmica de fondo y se espera que puedan corroborar (o rechazar) los resultados de Bicep2.

En mi libro sobre el Big Bang explico más detalles sobre los patrones de polarización predichos por la teoría inflacionaria. Así explica Salviati el tema en mi libro (un dialogo a la manera de Galileo):

"...Así como el big bang dejó un fondo de radiación electromagnética, también dejó --según afirma la teoría de la inflación-- un fondo de ondas de gravedad. Esas ondas de gravedad son de muy baja energía y ello hace muy difícil observarlas de manera directa. Sin embargo, si de verdad existen deben dejar en la radiación de fondo una huella que se manifiesta en unos patrones característicos de la polarización. Existe una predicción que afirma que debe existir polarización en la radiación de fondo, y que si esta no se detecta, ello sería motivo para rechazar la teoría de la inflación. De modo que la teoría de la inflación viene con su propio instrumento para hacerse el haraquiri en caso de no ser consistente, y por tanto no es fruto de una especulación alocada..."

Actualización: señal observada por Bicep2 está contaminada por emisión galactca

Después del anuncio de la observación de polarización modo B en la radiación cósmica de fondo, otros científicos expertos en el tema y no conectados con el grupo Bicep2, hicieron un análisis independiente de los datos y se dieron cuenta de que las observaciones estaban contaminadas por radiación proveniente de nuestra galaxia.

En la galaxia encontramos regiones extendidas de gas compuesto de pequeñas partículas de polvo interestelar. Estas partículas emiten radiación electromagnética, que también puede presentar patrones de polarización que se combinan con la señal de fondo.

En condiciones ideales, se puede separar la parte de la señal debida a contaminación y la parte proveniente del Big Bang. Para lograr esta tarea el Bicep2 tendría que hacer observaciones a varias frecuencias, pero esto no es posible con los instrumentos actuales del Bicep2. En su lugar, los científicos de Bicep2 estimaron la contribución de la galaxia usando resultados parciales (no totalmente procesados) del experimento Planck de la Agencia Espacial Europea. En un simposio reciente (16 de junio) miembros del proyecto Planck presentaron un estudio más detallado de la radiación de polvo interestelar en la galaxia concluyendo que las observaciones del Bicep2 podrían ser en su mayoría un producto de la galaxia. La sonda Planck, que observa la radiación desde el espacio, está equipada para hacer mediciones de precisión a varias frecuencias. Los resultados del análisis de datos del Planck se esperan para diciembre (2014) y es posible que con estos los datos se pueda determinar con certeza si de verdad la radiación de fondo contiene impresa los patrones de polarización predichos por el Big Bang.

Este episodio demuestra que el proceso científico funciona muy bien. La ciencia es el mejor instrumento que tenemos para conocer la naturaleza. Funciona muy bien porque incorpora un mecanismo de auto-corrección de errores (con el tiempo, las teorías se pueden falsear y los datos experimentales erróneos se pueden desechar).

Mi video sobre la radiación cósmica de fondo explica cómo se origina esta radiación y qué información contiene: en YouTube

Sergio Torres Arzayús

 
 

 
 
 
 

 
 
Sergio Torres Arzayús