Noticias del Cosmos

 
 

 
 

Detectadas las ondas gravitacionales producidas en los primeros instantes del Big Bang

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..."

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

Sergio Torres Arzayús

 
 

 
 

Observando el Cosmos desde Colombia

Galaxia a 2300 MHz

Agosto, 2013. Así se vé la Vía Láctea -- nuestra galaxia -- desde Villa de Leyva, Colombia, a través de los ojos de los instrumentos GEM sintonizados a 2300 MHz. El radio-telescopio GEM recoge las ondas de radio emitidas por nubes de hidrógeno ionizado y por electrones libres que circulan en orbitas guiadas por el campo magnético de la galaxia.

El proyecto de mapas galácticos (GEM) tiene como objetivo observar nuestra galaxia --la Vía Láctea-- con radio-telescopios de alta precisión. El proyecto es importante por el conocimiento que genera sobre los procesos físicos que ocurren en la galaxia. Más importante aún es que esos mapas contribuyen al análisis de datos de la radiación de fondo de microondas originada en el Big Bang. El Centro Internacional de Física, el Observatorio Astronómico de la Universidad Nacional y el departamento de Física de la Universidad de los Andes unieron fuerzas con el equipo liderado por el premio Nobel de Física George Smoot de la Universidad de California en Berkeley para ensamblar el radiotelescopio GEM y para instalarlo en el desierto de Villa de Leyva donde se hicieron parte de las observaciones. Los datos generados por el proyecto GEM son utilizados hoy en día para el análisis de las mediciones de la radiación del Big Bang obtenidas por el proyecto WMAP de la NASA y el proyecto Planck de la Agencia Espacial Europea. Los resultados finales del proyecto GEM fueron publicados en el journal Astronomy & Astrophysics del pasado mes de julio.

Los proyectos WMAP y Planck usan antenas que captan ondas electromagnéticas en un rango de frecuencias correspondiente a las microondas. Estas antenas "escuchan" las señales originadas por la radiación electromagnética generada en épocas tempranas del universo recién formado hace 37.800 millones de años. A esa señal se le interpone las ondas de radio generadas en nuestra galaxia. En otras palabras, la señal originada en la Vía Láctea es una fuente de contaminación en los mapas del WMAP y Planck. Por esa razón remover esa contaminación es un proceso indispensable y esa fue la motivación para el proyecto GEM. El estudio de los procesos galácticos nos ayuda a perfeccionar los modelos de la galaxia. La aplicación más sencilla de los datos GEM es elaborar una plantilla sobre la esfera celeste que marca la región más afectada por la señal galáctica. Esa región sería excluida de los análisis de la radiación cósmica de fondo. Más interesante aun es investigar los patrones de la radiación de la galaxia (que dependen a su vez de los patrones conformados por el campo magnético de la galaxia) para verificar la posibilidad de que unas anomalías observadas por Planck puedan ser explicadas por efectos de la galaxia. Las observaciones del Planck indican que existe una extensa región donde la radiación de fondo aparece de menor intensidad que lo esperado. Otra anomalía que tiene muy ocupado a los cosmólogos es una asimetría sistemática en la intensidad promedio de la radiación de fondo que la hace aparecer en promedio más intensa en un lado de la esfera celeste. También se observó que los patrones de la radiación de fondo a grandes escalar angulares tienen una intensidad mucho menor que lo predicho por el modelo cosmológico estándar.

Estas anomalías son objeto de intensos estudios por los cosmólogos debido a que, de ser confirmado su origen cosmológico, el modelo estándar de la cosmología tendría que ser modificado (o remplazado). También podrían ser producto de interferencia galáctica.

 
 

 
 

Lecciones del fin del Mundo 2012

Agujero Negro Diciembre 21, 2012. Hace más de veinte años comenzaron a salir libros donde se menciona el fin de un importante ciclo (la "cuenta larga") del calendario maya, previsto para diciembre del 2012. Más adelante algunos autores interpretaron ese evento calendárico como un anuncio profético del fin del mundo. El subsecuente boom editorial sobre el tema resultó ser muy lucrativo para los autores más esotéricos, quienes mezclaron las profecías con fenómenos astronómicos.

El público en general se interesa por estos temas, pero infortunadamente los intereses comerciales e ideológicos distorsionan completamente la información científica causando daños a la sociedad. Espontáneamente surgieron "expertos" anunciando calamidades planetarias, el impacto del planeta ficticio Nibiru, actividad solar fuera de lo normal, rayos galácticos, alineamientos planetarios, inversión de los polos magnéticos de la Tierra y explosiones de súper novas.

Algunos de esos fenómenos astronómicos sí ocurren y han ocurrido por los 4.000 millones de años de historia del planeta Tierra sin causar daño alguno. La Tierra se encuentra en una órbita estable en torno al Sol. Excepto por unos pocos impactos de asteroides, no han ocurrido "ajustes planetarios" catastróficos. Hace 65 millones de años un asteroide de 10 km de radio hizo impacto en el área de la península de Yucatán, causando la extinción de los dinosaurios y de paso el 75% de las especies sobre el planeta. También se han registrado inversiones del eje magnético terrestre. Estas inversiones han ocurrido miles de veces con un período promedio de 400.000 años, sin causar daño al planeta. Cada año, en diciembre, la Tierra y el Sol quedan aproximadamente alineados con el centro de la galaxia donde se encuentra un agujero negro de masa equivalente a 4.000.000 de soles. Este alineamiento y la presencia del agujero negro no causan trastorno alguno a la Tierra. El Sol emite chorros de partículas cargadas. Esa actividad solar aumenta y disminuye cíclicamente con un periodo de 11 años y no ha causado daño al planeta.

El cuento del planeta Nibiru es totalmente falso. Los fenómenos astronómicos mencionados no tienen conexión alguna con un supuesto fin del mundo y no figuraban en los códices de los mayas.

La lección que nos queda de este episodio de fin de mundo es que tenemos que tomar críticamente la información que brota del internet, no podemos confiar en la manipulación de la información por parte de los medios de comunicación y tenemos que verificar cuidadosamente las fuentes de información.

 
 

 
 

Premio Nobel a la energía oscura

Energia oscura Octubre 4, 2011. La Academia Sueca de Ciencia anunció los ganadores del Premio Nobel de Física. Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess ganaron el Nobel este año en reconocimiento a su trabajo de observación de estrellas que explotan en la profundidad del espacio y que les permitió demostrar que la expansión del universo se está acelerando.

Así aparece el trabajo de Perlmutter, Schmidt y Riess en mi libro (p. 149):

"En el contexto de la cosmología el término "energía oscura" constituye un uso desafortunado del lenguaje porque evoca conjuros asociadas con "energía oculta" y otros posibles hechizos de naturaleza esotérica y mística. En todo caso la energía oscura, es una forma de presión "como la gravedad, pero repulsiva" que existe en el espacio y que hace que la expansión del universo se acelere. Es una fuerza de expansión que impregna el espacio mismo y que se les apareció en la oscuridad de la noche, sin que nadie la llamara, a dos grupos de astrónomos a quienes se les ocurrió penetrar con sus telescopios en profundidades del espacio nunca antes exploradas de manera sistemática. Todos los datos acumulados hasta finales de la década de 1980 indicaban que la expansión del universo se frenaría lentamente. Los cosmólogos ya se habían habituado a ese modelo de la expansión cuando en 1987 dos equipos de astrónomos estremecieron el mundo de los cosmólogos cuando anunciaron intempestivamente que ciertas observaciones indicaban que el universo comenzó a acelerar la expansión hace 5.000 millones de años. El equipo "Alto Desplazamiento al Rojo" liderado por Brian Schmidt anunció que con base en observaciones de explosiones de supernovas lejanas tenían evidencia convincente sobre la expansión acelerada del espacio. Pocos meses después el "Proyecto Cosmología Supernova", liderado por Saul Perlmutter del Lawrence Berkeley Laboratory, mostró resultados muy similares que corroboraron los hallazgos de Schmidt. Los investigadores de estos dos grupos se ocupaban de extender la medición de la velocidad de expansión a grandes profundidades. Era algo así como el experimento de Hubble pero hasta distancias más lejanas. Si esta observación se compara con la irresistible actividad de espiar a los vecinos, Hubble alcanzó a ver sólo a los vecinos que vivían a dos cuadras, mientras que Perlmutter y Schmidt lograron espiar a vecinos que se encontraban a 10 000 kilómetros de distancia. La distancia hasta un cuerpo astronómico se determina usando el principio de que el brillo aparente de un bombillo disminuye a medida que nos vamos alejando de este. De igual manera, los astrónomos utilizan estrellas de brillo intrínseco conocido y que a la distancia aparecen con brillo disminuido. Claro, para poder hacer observaciones de objetos muy lejanos, es necesario que estos tengan un brillo intrínseco muy alto. En sus experimentos, Schmidt y Perlmutter lograron observar en distancias más lejanas gracias a que pudieron identificar un tipo de estrellas con brillo intrínseco conocido y muy intenso . Estas fabulosas fuentes de luz son las estrellas supernova tipo "Ia" que tienen la propiedad de explotar siempre con la misma potencia."

 
 

 
 

Partículas más rápidas que la luz

Einstein Septiembre 24, 2011. El New York Times, el Wall Street Journal, el Washington Post y muchos otros periódicos de talla amanecieron hoy con un titular algo extraño que hacer referencia al fin de la teoría de la relatividad de Einstein. "Físicos hallan partícula que viaja más veloz que la luz" dicen algunos, "Fracasó la teoría de Einstein", y así por el estilo. Realmente qué es lo que está pasando?

Un experimento que se llama OPERA, instalado en Italia dentro del túnel que cruzan los romanos en el verano para llegar a las costas del mar adriático, detectan neutrinos (unas partículas elementales) disparados desde el laboratorio CERN en Ginebra. En teoría, si medimos la distancia entre CERN y los detectores de OPERA y si medimos el tiempo que toman los neutrinos en viajar, pues podemos medir la velocidad de las partículas. Más o menos eso fue lo que hicieron los físicos del experimento OPERA y encontraron que los neutrinos llegan a Italia 60 nanosegundos (esto es 0.00000006 segundos) más temprano de lo que le tomaría a la luz para recorrer la misma distancia.

Aclaraciones importantes

  • La medición de la velocidad de los neutrinos observados por OPERA no es una medición directa (es decir no es una comparación directa del tiempo de vuelo de la luz comparado con el tiempo de vuelo de los neutrinos)
  • La medición se basa en un complicado análisis estadístico que correlaciona los pulsos del acelerador de partículas en CERN con los pulso de detección de partículas en OPERA.
  • La medición también depende de la precisión con la que se estima la distancia CERN-OPERA (en línea recta, no a lo largo de un arco sobre la superficie terrestre). Medir la distancia entre dos puntos en la Tierra presenta retos formidables. Fuerzas de marea de la Luna, movimientos de placas, irregularidades en la densidad y muchos otros factores introducen errores que se deben tener en cuenta. Los científicos de OPERA dicen que el error de la medición de distancia es apenas 20 centímetros (se imaginan! medir una distancia entre dos puntos de la Tierra distanciados por 730 kilómetros con una precisión de 20 centímetros!)
  • Los resultado dependen de la precisión con la que se mide el tiempo de los pulsos en el acelerador de CERN y el tiempo de las detecciones realizadas en OPERA.
  • En resumen existe gran cantidad de oportunidades para introducir errores que aun no se han tenido en cuenta y que podrían fácilmente explicar la anomalía de 60 nanosegundos en el tiempo de llegada de los neutrinos del CERN a los detectores de OPERA

Cuál es el significado de los resultados de OPERA?

  • Los resultados reportados por OPERA pueden ser una anomalía explicada por errores de la medición que aun no se han tenido en cuenta
  • Si la medición se puede reproducir independientemente por otros experimentos y si no se encuentran errores en las mediciones que no se hayan tenido en cuenta, es necesario desarrollar una teoría que explique el comportamiento de los neutrinos
  • En este caso esto no significa que tenemos que echar al cesto de la basura la teoría de Einstein. Ninguna teoría es final y completa. Toda teoría tiene un dominio de validez. Sabíamos que la teoría de la gravedad de Einstein tiene un límite de validez (la teoría no se aplica a escalas donde opera la mecánica cuántica). Surgirá una teoría más general que incorpora la teoría de Einstein como la teoría valida dentro de ciertos límites.
  • Es prematuro saltar a conclusiones. Lo que OPERA reportó en este ejemplar artículo es una anomalía. Ahora bien, en el pasado anomalías en física han servido para desatar la crisis de teorías enteras, o han desaparecido completamente al verificarse que se trataba de errores de medición o factores prosaicos que no se habían tenido en cuenta.

Anomalías en física

  • Una anomalía en la órbita del planeta Urano condujo en 1845 a Urbain Leverrier a predecir la presencia de un planeta nuevo (Neptuno). En 1846 Neptuno fue descubierto por el astrónomo Johann Gottfried Galle del Observatorio de Berlín justo en la posición donde Leverrier había indicado.
  • Una anomalía en la órbita de Mercurio (consistente en el desplazamiento anual del punto de mayor cercanía al Sol) motivó la predicción en 1859 de la existencia de un nuevo planeta (Vulcano) por Urbain Leverrier. Vulcano no fue encontrado. La anomalía fue explicada por la teoría de la gravedad de Einstein (pero no por la de Newton).
  • En 1967-1969 Vera Rubin y Kent Ford detectaron una anomalía en las velocidades de rotación en galaxias espirales. La explicación aceptada por la mayoría de astrónomos es que el exceso de velocidad de rotación se debe a la presencia de materia oscura en la galaxia. Sin embargo, algunos teóricos insisten en que hay que modificar la mecánica de Newton. La teoría MOND, por ejemplo, se ajusta muy bien a las curvas de rotación de las galaxias.
  • En 1964 los radio-astrónomos Arno Penzias y Robert Wilson observaron una anomalía en la señal recibida por la antena que usaban para estudiar la emisión de radio proveniente de la Vía Láctea. El exceso de ruido observado por Penzias y Wilson resultó ser nada menos que la radiación cósmica de fondo que quedó del big bang cuando el universo era una sopa caliente de partículas y radiación.
  • Recientemente se reportó una anomalía en la órbita de las sondas Pioneer que parecía indicar que las sondas se estaban frenando en su viaje como haladas por una fuerza extraña. Algunos hablaban de la necesidad de modificar las teorías de gravedad. Análisis recientes (Turyshev et. al., 2011) demuestran que lo que parecía una anomalía no era más que el efecto de la manera como la sonda pierde calor.
 
 

 
 
Sergio Torres Arzayús
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