Encontrados los primeros «ecos» del Big Bang

17/03/2014

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Cuando el Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica anunció una conferencia de prensa para un "gran descubrimiento" (en mayúsculas en el correo electrónico original) que implicaba un experimento no especificado, los rumores comenzaron a volar de inmediato. Por la tarde del viernes, los rumores se habían unido en torno a un particular observatorio: el telescopio de microondas BICEP2 ubicada en el Polo Sur. Durante el fin de semana, la conversación giro en torno al fondo cósmico de microondas dejado por el Big Bang.

Ahora con el anuncio ya realizado, es evidente que se ha detectado la primera evidencia directa de la fase inflacionaria del Big Bang, durante la cual el Universo se expandió rápidamente de tamaño.

Bíceps, fue construido específicamente para medir la polarización de la luz dejada por el Universo temprano. Esta luz, conocida como el fondo cósmico de microondas (CMB), mantiene una gran cantidad de información sobre el estado físico del cosmos desde sus primeros momentos. La mayoría de los observatorios (como Planck y WMAP) han mapeado las fluctuaciones de temperatura en el CMB, esenciales para determinar el contenido del Universo.

La polarización es la orientación del campo eléctrico de la luz, que transmite información adicional no disponible a partir de las fluctuaciones de temperatura. Si bien gran parte de la polarización del CMB se debe a las fluctuaciones de densidad posteriores que dieron origen a las galaxias, la teoría predice que algunos provienen de las ondas gravitatorias primordiales. Esas ondas son ondulaciones en el espacio-tiempo que quedaron de las fluctuaciones cuánticas en los primeros momentos del Universo.

Las ondas gravitacionales primordiales eran una de las hipótesis no probadas para corroborar la inflación, el modelo más popular que explica la increíble uniformidad de la CMB. Según la teoría inflacionaria, el Universo se expandió muy rápidamente en la primera fracción de segundo, llenando el cosmos con ondas gravitacionales. Mientras que la inflación medida parece explicar mucho sobre el Universo, no había evidencia directa de ello. Bíceps, como un observatorio dedicado al análisis de CMB, podría ofrecer algunas pistas sobre las ondas gravitacionales primordiales-y, por extensión, la inflación.

Cuando el Universo comenzó…

Los primeros instantes del Universo se mantienen ocultos a nosotros, el Universo es opaco a toda forma de luz del Big Bang hasta unos 380,000 años después del inicio. Aunque es posible reconstruir gran parte de lo courrido gracias a la radiación que se emitió cuando el Universo se volvió transparente. Tal luz (fondo cósmico de radiación) tiene la mayr información sobre lo que ocurrió momentos previos a la formación del Universo, de la misma forma que un terremoto nos revela información sobre lo que ocurre bajo la superficie.

Ahora investigadores del observatorio BICEP han anunciado que la primera medición de las distorsiones de la luz cósmca de fondo pueden revelar información sobre lo que ocurrió en la primera minúscula fracción de segundo después del Big Bang. Tales distorsiones toman son polarizaciones de la luz creadas por perturbaciones gravitacionales debido a la rápida expansión ocurrida en los primeros momentos del Cosmos. Si tales resultados coinciden con otras observaciones se convertirán en la mejor evidencia de la inflación, ofereciendo la mejor imagen del Universo en la fracción de segundo ocurrida después del Big Bang.

La teoría de la inflación se predijo de forma original en 1981 y desde entonces ha tenido agregados para mejorarla. Tal idea si se ve confirmada con las observaciones hoy anunciadas, explicará un gran número de fenómenos que se han observado en el Universo. No obstante todas las pruebas hasta ahora son circunstanciales, por lo que los resultados de BICEP cobran relevancia. Y si bien no constituyen la detección directa de ondas gravitacionales primordiales (distorsiones que causan la polarización de la luz) o la inflación, tales resultados pueden ser la mejor evidencia hasta el momento para explicar tales teorías.

Y aunque este no es el final de la historia, la medición de la polarización es significativamente mayor que las observaciones anteriores. Aunado a ello la interpretación y análisis de los datos de BICEP esta aún en su fase inicial.

La inflación, en teoría

Si se descarta la teoría de la inflación, se tiene presente que el Universo se expandió de forma exponencial durante los primeros instantes. La inflación serviría para explicar características observadas del cosmos, como la uniformidad del CMB; pero la inflación no es una teoría sino un modelo de teorías que en conjunto han producido predicciones y coinciden con las observaciones que se tienen hasta ahora.

De esta forma es posible distinguir entre los diferentes modelos por la ausencia o presencia de la radiación gravitacional primordial. La inflación habría creado fluctuaciones en la estructura del espacio-tiempo dependiendo del modelo inflacionario particular. Aunque los astrónomos tienen conocimiento desde hace décadas de las ondas gravitatorias, su evidencia es indirecta por lo que se requiere medir radiación gravitatoria directamente en un futuro.

Un tema que genera discusiones

La luz es una onda de energía electromagnética. Su polarización es producida por la orientación del campo electrico. Mientras que fuentes de luz no polarizadas intrinsecamente producen luz, una variedad de situaciones pueden bloquear o torcer su polaridad a través de diversos ángulos de polarización. Las ondas gravitatorias pueden girar su polarización, proporcionando un medio indirecto para su detección.

Esta radiación gravitacional afectaría cualquier luz que pase, curvando su polarización de forma única. Su efecto de torsión, es llamado por los físicos como "B". Tal distinción es importante ya que aunque otros fenómenos pueden polarizar la luz.

Debido a su parecido con los campos magnéticos, la versión no-torsión es conocido como modo de polarización E. La radiación gravitatoria contribuye al modo E, pero la única fuente de polarización B. Sólo una pequeña fracción de los fotones CMB se polarizan y de estos la mayoría son modo E. El objetivo de las observaciones

Debido a que tiene un parecido matemática a los campos eléctricos, la versión no-torsión es conocido como E-modo de polarización. La radiación gravitatoria contribuye a E-modo, así, pero es la única fuente de modo B de polarización. Sólo una pequeña fracción de los fotones del CMB se polarizan, y de ellos, la mayoría son E-mode en cualquier predicción razonable. El objetivo de las observaciones de polarización implica la medición de la relación de los dos modos, lo que permitiría cosmólogos para separar las contribuciones de las ondas gravitacionales de otros efectos.

Hasta ahora BICEP, ha medido las propiedades del CMB. En particular, sólo se podría dar una cota superior, lo que significa que el valor debe estar entre cero y un cierto valor máximo. BICEP midió el espectro de la polarización directa, en principio, permitiendo a los investigadores para separar los modos E -y modos B, obteniéndose la relación directamente.

El equipo de investigación BICEP confiadamente afirmó que puedan excluir la posibilidad de que la relación es cero. Eso en sí es un hallazgo importante: si el valor mínimo posible de la relación es mayor que cero, entonces ondas gravitacionales primordiales y la inflación son muy probables. Sin embargo, el valor más probable de la relación que el equipo estima es aproximadamente dos veces tan alto como el valor máximo estimado a través de métodos indirectos. (Los datos anteriores proceden del observatorio orbital CMB WMAP, junto con el Telescopio del Polo Sur y Telescopio Cosmológico.en Atacama).

Esa discrepancia no se explica fácilmente lejos. Los investigadores BICEP han propuesto una modificación relativamente simple para el comportamiento de la inflación para conciliar los dos números y mostrar por qué no están de acuerdo, pero tendremos que esperar para saber si la comunidad cosmología encuentra esta modificación aceptable.

¿Podrían los aspectos del análisis de los datos BICEP estar equivocados? La polarización es difícil de observar, y hay muchas posibles fuentes de confusión. Algunos de estos incluyen material en el primer plano (gas y polvo), la atmósfera de la Tierra, y otro tipo de distorsión gravitatoria: la curvatura de la luz conocido como lente gravitacional. Si bien los investigadores confían en que han controlado adecuadamente estos fenómenos, el ajuste entre los datos de BICEP y la firma de lente gravitacional, en particular, parece pobre. Falta más análisis correspondiente para mejorar las observaciones.

Si bien es prematuro decir que el equipo BICEP ha proporcionado a la "primera evidencia directa de la Inflación Cósmica" (según el comunicado de prensa), estos resultados no deben ser desestimados. Otros investigadores estudiarán muchas posibilidades, la historia de BICEP, la inflación y la radiación gravitatoria primordial apenas comienza, ¡enhorabuena!.