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La cosmología del oso polar

Acabo de publicar esta entrada:

El oso polar que vio el origen del universo

Donde se anuncia la publicación de un artículo que dice que el proyecto POLARBEAR ha obtenido medidas sobre la polarización de los modos B del fondo cósmico de microondas y eso dará mucha información sobre cosmología y sobre el proceso inflacionario.

Esta entrada la voy a dedicar a explicar lo que han medido estos señores y a reafirmar algunas de las cosas que he dicho en la anterior entrada, esta vez con un poco más de detalle.

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BreakingNews: El oso polar que vio el origen del universo

Oso-Polar-BlancoSí amigos, en el experimento POLARBEAR, que entre otras cosas se dedica a medir los modos B de la radiación cósmica de fondo, han anunciado que han medido dichos modos.

Esta noticia es un pelotazo de confirmarse.  Ya tuvimos ración de modos B por el anuncio de que el experimento BICEP2 había detectado dicha señal en el fondo de microondas.  Aquí una entrada sobre el resultado de BICEP2 en día de su anuncio:  El universo saca BICEP2 que recomiendo leer para repasar la importancia de esta medida para nuestra comprensión del universo.

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Vamos a discutir esta noticia, sin entrar en detalles explicativos sobre la radiación cósmica de fondo y los modos B porque ya está hecho en la anteriormente citada.

El artículo

El artículo del anuncio es:

A MEASUREMENT OF THE COSMIC MICROWAVE BACKGROUND B-MODE POLARIZATION POWER SPECTRUM AT SUB-DEGREE SCALES WITH POLARBEAR  Publicado en el Astrophysical Journal (http://iopscience.iop.org/0004-637X/794/2/171).

¿Qué ha detectado?

Pues por lo que parece y está publicado hay una señal de polarización de modos B en la radiación cósmica de fondo:

Resultados de los modos B (en dos tipos de polarización) del cielo según POLARBEAR

Resultados de los modos B (en dos tipos de polarización) del cielo según POLARBEAR

¿Qué aporta esto respecto a BICEP2?

Los resultados de BICEP2, que causaron gran revuelo, se vieron en entredicho ya que en la región del cielo donde estaban haciendo las medidas parece ser que hay mucho polvo galáctico.  Este polvo puede provocar aparición de modos B en la radiación cósmica de fondo y por lo tanto no se puede asegurar que tengan un origen cosmológico puro.

En POLARBEAR dicen que han estudiado el cielo en una región libre de polvo galáctico y que además sus aparatos podrían discriminar entre modos B causados por ese polvo de los puramente cosmológicos.

Las regiones de medición del POLARBEAR están indicadas en ese mapa donde se ve la distribución de polvo galáctico.  Parecen regiones muy limpias.

Las regiones de medición del POLARBEAR están indicadas en ese mapa donde se ve la distribución de polvo galáctico. Parecen regiones muy limpias.

De confirmarse el resultado, ahora sí podemos decir que estamos viendo el universo muy poco después de que la inflación se frenara para dar lugar a la materia y campos que vemos a nuestro alrededor tras su evolución cosmológica.

Tendremos que esperar a ver si los resultados son tan buenos como dicen y qué implican para la teoría inflacionaria, qué modelos sobreviven y cuales quedan descartados.

Nos queda una temporada interesante.

Nos seguimos leyendo…

PD:  Si te has quedado con ganas aquí hay una explicación más pormenorizada del descubrimiento y su importancia (en mi opinión):  La cosmología del oso polar.

Nuestro imposible universo

Para mí resulta más o menos evidente que el universo existe. Sí, podríamos ponernos a filosofar sobre el sentido de la existencia, la realidad y todo lo demás.  Pero ni es el momento, ni podría aportar mucho. Insisto, el universo tiene toda la pinta de existir. Al menos se deja medir y con el paso de los años hemos podido obtener de él mejores observaciones.

Nos consta que el universo tuvo un origen, que ha evolucionado hasta su estado actual, que está compuesto por materia y energía de la que podemos tener una observación directa y por materia y energía de la que solo tenemos constancia a través de sus efectos gravitatorios. A estas últimas se las conoce como materia y energía oscura.  Además sabemos que la materia/energía que nos compone solo contribuye al contenido total del universo en un porcentaje no superior al 5%. El resto son cosas que todavía no hemos podido averiguar qué son o cómo se han originado.

Otra característica de nuestro universo, una muy impactante y sorprendente, es su  homogeneidad e isotropía, su apariencia y composición es la misma en todos los puntos y en  cualquier dirección que miremos.   Esta afirmación, respaldada por todas las observaciones cosmológicas hechas hasta la fecha, no es banal. Más bien nos enfrenta a la situación de explicar por qué nuestro universo esa así cuando todo indica que esa situación es imposible.

En esta entrada vamos a intentar entender todo esto y espero que os resulte tan sorprendente y maravilloso como me resultó a mí cuando me enfrenté a este tema por primera vez. La verdad es que es una de esas cosas que no me entran en la mollera y que me estremecen cada vez que vuelven a mi cabeza. La única cosa que saco en claro es que nos ha tocado vivir en un universo guasón.

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Tenemos un universo, tenemos un problema

Durante los últimos días, y a causa del descubrimiento del BICEP2 de algo llamado polarización en modos B de la radiación cósmica de fondo, han habido dimes y diretes en relación a la existencia de un universo, de un multiverso y de otras cosas al respecto.

Pues bien, yo aquí he venido a sincerarme… A pesar de haber estudiado cosmología una temporadita de mi vida, he venido a confesar que no tengo ni puñetera idea de la mayoría de las cosas de las que se hablan en este contexto.  Todo lo que puedo decir es que actualmente la física teórica está plagada de ideas lo suficientemente locas y atrevidas como para sorprender al más pintado. Además, estas ideas polarizan las opiniones de físicos, aficionados y de los que pasaban por allí.  El problema en mi opinión, y sí, esta es mi opinión personal, es que nadie pone énfasis en qué es lo aceptado teórica y experimentalmente, es decir, fuera de toda duda (fuera de toda duda en ciencia se traduce por:  estamos bastante seguros mientras no se demuestre lo contrario), y lo que son puras elucubraciones teóricas asociadas a los modelos que estamos usando para describir la realidad que nos rodea (por favor, uso realidad en el sentido de la calle, no estoy haciendo ontología, axiología, teleología o cualquier otra logía que se os ocurra).

Por lo tanto, voy a poner aquí unas cuantas cosas que me llevan de cabeza en este tema.  Son cosas que si las piensas dos veces tienes tres opiniones distintas, por eso procuro pensarlas solo una vez y, la mayoría de las veces, media vez.  Voy a procurar seguir la siguiente estructura:

  1. El título de las secciones será alguna idea cosmológica.
  2. Intentaré decir y fundamentar si la idea es aceptada (comprobada con mayor o menor grado) o no lo es.  Algunas, directamente son ideas falsas que pululan por ahí.
  3. Procuraré explicar, en la medida de lo posible y lo más llanamente que sea capaz, de dónde viene la idea y qué importancia tiene.

Espero que esto le sirva a alguien, a mí me servirá para poner orden en mi cabeza.

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El universo saca Bicep2

Hoy ha habido una gran noticia acerca del universo. Así que es de recibo explicar por qué tal excitación.

Sin duda, el día de hoy pasará a la historia de la ciencia aunque no sea una confirmación definitiva ni la última del tema que vamos a tratar.

Nos vamos a plantear aquí el objetivo de hacer lo más entendible posible de qué va todo esto de la medida de los modos B de la radiación cósmica de fondo. Dado que el tema es muy importante y que me parece que todo el mundo tiene el derecho de saber, al menos un poco, de que trata todo esto, procuraré ser lo más conciso, simple y directo que pueda.

Espero que pueda transmitir por qué todo esto es tan importante.

El tema

Hoy se han hecho públicos los resultados del experimento BICEP2, que trataba de medir, entre otras cosas, la polarización de la radiación cósmica de fondo, especialmente los modos B.

Lo sé, todo esto no dice mucho y no deja ver por qué todo el mundo está tan excitado al respecto. Pero, permítanme hacer una lista sobre por qué pienso yo que la cosa tiene cierta relevancia.

  1. El resultado de hoy nos dice que el universo pasó por una expansión brutal, muy rápida al inicio de su existencia.
  2. También nos obliga a aceptar que no hubo una explosión de un huevo cósmico que lo contenía todo. Más bien el tema es que el universo surgió desde el vacío (cuántico) y que ese fenómeno dejó huellas en una radiación que nos llega hoy en día en forma de microondas.
  3. Además es una confirmación indirecta de la existencia de ondas gravitacionales.  Pero lo que es más, estas ondas gravitacionales surgieron por fluctuaciones cuánticas gravitatorias en los primerísimos instantes del universo.  Así pues, puede ser que estemos en la puerta de poder constreñir nuestras teorías de gravedad cuántica a través de observaciones sobre el fondo cósmico de microondas.

En esta entrada vamos a comentar todo esto de la forma más simple posible para que todos podamos disfrutar de las consecuencias del descubrimiento anunciado hoy.  Para una explicación más técnica os recomiendo la entrada de Francis:  BICEP2 obtiene la primera prueba directa de la inflación cósmica.  (Ahí podéis encontrar el artículo técnico relacionado:

La inflación cósmica. Expasión, vacío, existencia, multiverso

Se nos ha contado una y otra vez que el universo empezó en una gran explosión, el famoso Big Bang, la idea que nos lleva a esto es simple:

Si sabemos que el universo se está expandiendo, en el pasado todo estaría más cerca y más caliente  y tuvo que haber un tiempo en el que todo estaría contenido en un punto.  Este punto “estalló” dando lugar al universo que vemos que se ha expandido desde entonces.

Esta es la imagen que hemos acumulado por mucho tiempo, sin embargo, hay muchos problemas asociados con esta imagen:

a)  ¿Por qué todo estaba contenido en un punto? ¿Toda la materia? ¿Toda la radiación? ¿Todo?

b)  ¿Por qué tuvo que explotar?

c)  ¿Qué significa explotar si no podemos hablar ni de espacio ni de tiempo en esa situación? ¿Dónde explotó?

La imagen del big bang es muy sugestiva pero errónea. Si bien es cierto que nuestro universo se está expandiendo y que eso implica que antes estaba más comprimido y la materia y energía más caliente no podemos decir que todo estaba contenido en un punto. Eso no tiene sentido.  La materia que vemos ahora no se puede matener a partir de determinada temperatura, así que si todo estaba cada vez más cerca estaría cada vez más caliente y la materia/radiación que existiría no sería ni parecida a los que nos rodea hoy en día.

El modelo del big bang no es más que el nombre que recibe la teoría que explica como evoluciona el universo conforme se expande, pero no dice nada sobre su origen en sí mismo.  Para repasar: La historia caliente del universo.

Permitidme un resumen muy sesgado e incompleto sobre las que en mi opinión, son las ideas esenciales y comunes a la mayoría de los modelos cosmológicos actuales que tratan con el origen del universo.  Todos ellos se pueden enmarcar con el nombre de modelos inflacionarios.

Voy a itemizar y novelizar al tiempo ;)

1.-  Al principio fue el vacío.  Pero este vacío presenta unas características sorprendentes, sus propiedades exigen que este vacío se expanda de una forma brutal (expansión exponencial).  Si intentas pensar en la expansión de este vacío no tendrás ninguna experiencia al respecto, es decir, este vacío lo ocupa todo, así que… ¿Dónde se expande?  Pues en sí mismo, no hay nada fuera de él. Cuando hablamos de expansión nos referimos a que si tomamos tres puntos cualesquiera en dicho vacío observaremos como la distancia entre todos ellos aumentan con el tiempo, y aumenta  de forma exponencial (muy muy rápido). Una explicación análoga, aplicada a la expansión del universo, la tenéis aquí.

El universo está repleto de un vacío que se expande como loco. Está bajo un proceso inflacionario continuo.

El universo está repleto de un vacío que se expande como loco. Está bajo un proceso inflacionario continuo.

2.-  De vez en cuando, aquí y allá, en el seno de ese vacío, la inflación se aburre, se para, y hay regiones que dejan de expandirse tan brutalmente.  Debido a que en ese proceso se libera mucha energía, esta se transforma en materia.  Esas burbujas en las que la inflación se ha parado se siguen expandiendo a un ritmo mucho más lento que el vacío del que procede y en el que están inmersas.

Hay regiones que espontáneamente dejan de expandirse aceleradamente y pasan a una expansión más moderada. La energía del "freno" de la inflación se invierte en llenar esa burbuja de materia y radiación.

Hay regiones que espontáneamente dejan de expandirse aceleradamente y pasan a una expansión más moderada. La energía del “freno” de la inflación se invierte en llenar esa burbuja de materia y radiación.

3.-  Podemos considerar que nuestro universo es una burbuja que se rebeló contra el vacío, dejó de expandirse de forma exponencial y se llenó por esto de materia y radiación (incluyendo aquí energías y materias oscuras).  Este proceso se puede seguir dando y por lo tanto estos modelos se dicen que generan de forma natural multiversos, entendiendo aquí regiones que han dejado de ser inflacionarias. Esas burbujas, inmersas aún en un vacío que se expande inflacionariamente, no se sabe si pueden coincidir o no, lo natural es que no puedan tener contacto unas con otras.  Más aún, las leyes de la física no tienen, ni deben, de ser las mismas en distintas burbujas de este tipo. Las cargas, las masas, etc, de los campos y partículas pueden diferir de una burbuja (universo) a otra.

Este proceso de frenado de la inflación se puede seguir produciendo en el vacío circundante y generar más burbujas (universos) con diferentes conjuntos de leyes y magnitudes físicas.

Este proceso de frenado de la inflación se puede seguir produciendo en el vacío circundante y generar más burbujas (universos) con diferentes conjuntos de leyes y magnitudes físicas.

Así pues, nuestro universo sería una de estas burbujas que se han rebelado contra el vacío.

Centrándonos en nuestro universo

Vale, nuestro universo se generó así, espontáneamente de un vacío, frenando una expansión exponencial y generando así materia y radiación. ¿Podemos comprobar esto?

La respuesta es, sin lugar a dudas, sí.

Estos modelos predicen que la radiación cósmica de fondo ha de tener determinadas características generadas por este proceso.

Esta es la imagen de la radiación cósmica de fondo tomada por la misión PLANCK.

Esta es la imagen de la radiación cósmica de fondo tomada por la misión PLANCK.

Esta radiación cósmica de fondo se generó unos 300.000 años después del inicio de nuestro universo/burbuja. Son fotones que nos llegan desde todas las direcciones del cielo con una temperatura de alrededor de 2.7 Kelvins. (Bastante frío).  Y los modelos cosmológicos nos dicen que tienen que existir pequeñas, pequeñísimas variaciones de temperatura en esa radiación.  Esas pequeñas variaciones de temperatura son las diferencias de colores en los puntos de la radiación cósmica de fondo, diferencias muy pequeñas  muy difíciles de medir.  A lo largo del tiempo hemos ido midiendo mejor las propiedades de la radiación cósmica de fondo:

PIA16874-CobeWmapPlanckComparison-20130321Pero estos fotones de la radiación cósmica de fondo tienen otras características además de su energía/temperatura.  Los fotones se pueden asimilar a cosas ondulantes, y las ondas pueden ser polarizadas.   Que sean polarizadas significan que en su movimiento de propagación se mueven de una determinada manera, en un plano dado.

Aquí vemos el campo eléctrico (naranja) que está en el plano vertical. Y el campo magnético (azul) que está en el plano horizontal. Esta onda está polarizada.

También podemos tener polarizaciones llamadas circulares, estas polarizaciones hacen que las ondas vayan rotando alrededor de un eje.

Luz polarizada circularmente

Aquí hay que contestar a la siguiente pregunta, ¿cómo y por qué se polariza la radiación cósmica de fondo?

Pues hay que retrotraerse hasta el mismo inicio del universo. Cuando la inflación se frena el exceso de energía se transforma en “materia”.  Es decir, aparecen los campos físicos, las partículas, etc. Por supuesto no aparecen de la forma en las que las tenemos ahora, las actuales son las herederas de las primigenias.  Sin embargo, en ese proceso de transformación de la energía sobrante de la expansión inflacionaria frenada en la burbuja en “materia” se producen fluctuaciones, en unas zonas hay más creación de materia que en otras. Esas fluctuaciones no son muy grandes, pero son importantísimas.  Y lo son porque esos procesos hacen que el propio espaciotiempo oscile y se creen ondas gravitatorias.  Dichas ondas son ondulaciones del espaciotiempo que se traslada por el mismo.

Un universo surcado por ondas gravitacionales primigenias.

Un universo surcado por ondas gravitacionales primigenias.

Estas ondas gravitacionales se denominan primigenias ya que se originaron al principio del universo por fenómenos puramente cuánticos que involucran la gravedad. Actualmente se pueden generar en sistemas estelares binarios y otros fenómenos astrofísicos. Estas ondas gravitacionales astrofísicas aún no han sido detectadas de forma directa aunque sí de forma indirecta.

¿Cómo se relacionan la inflación, las ondas gravitatorias primigenias y la polarización de la radiación cósmica de fondo?

Esta es la madre del cordero, (Querido lector, aquí uso cordero sin ninguna connotación religiosa), así que procuraré responderlo del mejor modo posible.

Interacción entre fotones y materia

Los fotones son los cuantos de la radiación electromagnética. Y el electromagnetismo se lleva bien con las cargas eléctricas, interactúan con ellas. Un fotón llega a un electrón, el electrón lo absorbe vibra y emite un fotón con una determinada polarización.

Aquí un fotón llega a un electrón, este lo absorbe, vibra en un determinada forma y emite un fotón que también vibra en la dirección definida por la oscilación del electrón. Resulta una radiación polarizada.

Cuando el universo tenía algo menos de 300.000 años de antigüedad, la temperatura era tan alta que los protones y electrones formados estaban  danzando por ahí como locos. La interacción eléctrica no podía generar átomos neutros. Por lo tanto, los fotones estaban “encarcelados” colisionando una y otra vez con los electrones libres.  Esto fue así hasta que el universo se expandió lo suficiente, y se enfrió por tanto, para que la energía del medio permitiera la formación de átomos neutros y los fotones salieron de allí en línea recta.  Esa es la radiación que hoy día vemos en el fondo cósmico de microondas.

Ahora bien, dado que teníamos por ahí ondas gravitacionales, estas estaban ondulando el espaciotiempo, y por tanto los electrones estaban sujetos a esas ondulaciones, y por lo tanto estaban transmitiendo esa vibración a los fotones que interactuaban con ellos polarizándolos de una determinada manera. (Manera que es predicha por los modelos inflacionarios).

De hecho, se conocen dos tipos de polarizaciones, la denominada E y la denominada B. La polarización de tipo E puede ser generada por otro tipos de procesos asociados a la materia presente en el universo además de las ondas gravitatoria. Sin embargo, la polarización de tipo B solo puede ser generada por dichas ondas gravitatorias.

Hay dos tipos de polarizaciones posibles, el tipo E y el tipo B. El tipo E puede ser generado por ondas gravitatorias y otros fenómenos asociados a la materia presente en el universo. La polarización de tipo B solo es generada por las ondas gravitacionales primigenias.  Encontrar esta polarización es, consecuentemente, una prueba de la existencia de estas ondas gravitatorias que a su vez están predichas por efectos cuánticos del universo en su origen.

Hay dos tipos de polarizaciones posibles, el tipo E y el tipo B. El tipo E puede ser generado por ondas gravitatorias y otros fenómenos asociados a la materia presente en el universo. La polarización de tipo B solo es generada por las ondas gravitacionales primigenias. Encontrar esta polarización es, consecuentemente, una prueba de la existencia de estas ondas gravitatorias que a su vez están predichas por efectos cuánticos del universo en su origen.

¿Qué quiere decir eso?

a)  Si medimos los modos B estamos midiendo una polarización de la luz del fondo cósmico que fue heredada de lo que sentían los electrones libres que estaban en el universo debido a las ondas gravitacionales primigenias.

b)  Dichas ondas gravitacionales primigenias son producto del proceso de fluctuación del espaciotiempo en el proceso inflacionario.  Los modelos inflacionarios predicen las características de dichas ondas gravitatorias que al final se traducen en características de los modos de polarización B del fondo cósmico de microondas.

Así podemos decir:

Al haber encontrado la polarización en modos B de la radiación cósmica de fondo hemos podido confirmar dos cosas:  a)  La existencia de ondas gravitatorias primigenias.  b) El mecanismo que predice esas ondas, la inflación (además de poder discernir entre distintos modelos inflacionarios que predicen distintos espectros de polarización en modos B)..

¿Qué podemos esperar?

1.-  Que los autores originales de la teoría inflacionaria, Andrei Linde y Alan Guth, ganen algún premio :)

2.-  Que aprendamos más cosas de la tan buscada teoría de la gravedad cuántica ya que hasta la fecha no teníamos ninguna evidencia experimental que ayudara en su definición y su búsqueda. Ahora tenemos la oportunidad de que las teorías de la gravedad cuántica puedan testearse con su capacidad para producir inflación y predecir el correcto espectro de polarización en modos B.

3.-  Se necesitan más y mejores datos sobre estos modos B y seguro que en breve la misión europea PLANCK confirmará y mejorará los resultados hoy presentados.

4.-  Hemos aprendido un poco más sobre el origen mismo del universo, cada vez es más claro que nuestro universo, y todos los posibles universos, son préstamos que nos hace el vacío.

Espero haber podido transmitir un poco la importancia de este hallazgo. No me cabe la menor duda, de que nos esperan tiempos espectaculares en física en un futuro muy cercano.

Permitidme terminar con esta reflexión

Nos seguimos leyendo…