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.

La radiación cósmica de fondo

La radiación cósmica de fondo es la luz que recibimos del tiempo en el que los fotones dejaron de interactuar fuertemente con las partículas cargadas en los tiempos iniciales de su evolución.  Esta radiación, una vez liberada de su interacción con la materia, se ha propagado libremente y nos llega desde todas las direcciones.

El mapa típico de la radiación cósmica de fondo es el siguiente:

planck_cmb

Esos puntos azules y rojos representan variaciones de temperatura de 1/10000 respecto a una temperatura promedio de unos 2.7 grados por encima del cero absoluto.

Para más detalles sobre la radiación cósmica de fondo:  La radiación cósmica de fondo.  Ahí encontraréis todas las entradas al respecto.

Hay más cosas aparte de las fluctuaciones de temperatura

El mapa anterior es la imagen famosa y conocida de la radiación cósmica de fondo.  Pero hay otra característica de dicha radiación que es muy interesante.   En cada punto del cielo nos llegan fotones que tendrán un poco más de energía o un poco menos si proceden de una región roja o azul del mapa del fondo cósmico.   A estos fotones, además de su energía, le podemos asignar una “flecha”, como una dirección de vibración, y podemos hacer un mapa de la radiación cósmica de fondo donde combinemos la información acerca de las fluctuaciones de temperatura (zonas azules y rojas)  y las flechas asociadas a los fotones recibidos.  A estas “flechas” se las denomina polarización de la luz.

Esas flechas se pueden disponer en el mapa de dos formas:

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.

Esos son los conocidos como modos E y modos B.  Si nos damos cuenta, los modos E tienen la propiedad de que si trazamos una línea recta vertical las figuras a ambos lados son simétricas.  Los modos B no presentan dicha propiedad.

La importancia de determinar estos modos E y modos B estriba en lo siguiente:

  • La polarización se adquiere por la interacción de la radiación del fondo cósmico con la materia.  Por lo tanto, estudiar estas polarizaciones es importante para conocer la evolución del universo codificado en esa característica de la radiación de fondo.
  • Los modos E son generados fundamentalmente, de forma inicial al crearse la radiación de fondo, por la interacción de los fotones con la materia que conformaba el universo en la época en la que se liberó la radiación cósmica de fondo.
  • Los modos B son generados de forma inicial por ondas gravitacionales producidas en los primerísimos instantes de vida de nuestro universo.  Encontrar y medir estos modos nos ayudará a entender los procesos iniciales del universo.

Sin embargo, la radiación cósmica de fondo desde que se creó ha ido viajando por el universo y se ha topado con estructuras, galaxias, etc.  Además ha ido haciendo esto con un universo en evolución en el que tenemos estructuras a muy gran escala como supercúmulos de galaxias, etc.  Esta estructura a gran escala estaba codificada en las fluctuaciones de temperatura de la radiación cósmica de fondo, porque regiones con mayor/menor densidad de energía dan lugar a regiones más frías/más calientes en el mapa de la radiación de fondo.

Lo interesante es que hay procesos en los que se pueden convertir modos E en modos B y estos procesos están relacionados con cuestiones fundamentales de la cosmología como veremos a continuación.

Origen secundario de los modos B

Como hemos dicho, los modos B pueden son aquellos que tienen un origen en las ondas gravitacionales que se crearon en los últimos instantes de la inflación, en el tiempo de frenado de la misma que es cuando se crearon los campos y las partículas que dieron lugar a nuestro universo.

Determinar los modos B primordiales, los originados por las ondas gravitacionales iniciales, es una tarea formidable desde el punto de vista tecnológico.  Su intensidad es muy débil y están enmascarados por otros procesos que producen modos B secundarios.

Lo que han hecho en el proyecto POLARBEAR es determinar modos B secundarios en lugares del cielo limpios de polvo galáctico.  Esto es interesante porque entonces se está seguro de que dichos modos B tienen un origen cosmológico y no por efectos de interacción de la radiación con la materia.

¿Entonces qué interés tiene medir estos modos B “secundarios”para la cosmología?

Los puntos fuertes son los siguientes:

  1. Su origen está en el efecto lente que ha hecho la estructura a gran escala del universo en los modos E primordiales para convertirlos en modos B secundarios.
  2. La distribución de modos B secundarios en el fondo de microondas depende de la suma de la masa de los neutrinos.  Así podremos dar cotas a la suma de la masa de neutrinos por observaciones cosmológicas y ver si coinciden con las obtenidas por otros métodos.
  3. Su distribución tiene tres fuentes claras y diferenciables, la curvatura del universo, la energía oscura y la suma de la masa de los neutrinos.  Por lo tanto,  determinar dichos modos B supondrá dar cotas independientes y novedosas a esas cantidades fundamentales de la cosmología.
  4. El efecto lente de la estructura a gran escala que da lugar a la distribución de modos B secundarios depende de forma indirecta del espectro de modos B primarios producidos por ondas gravitacionales.  Por lo tanto, conocer los secundarios arrojará luz sobre los primarios.

El efecto lente

Hemos hablado del efecto lente, ¿qué es eso?

Pues es una de las pruebas más maravillosas de la curvatura del espaciotiempo que inducen los sistemas con energía.  Pongamos un ejemplo simple de efecto lente para capturar la idea.

Supongamos que en una noche limpia vemos una estrella en el cielo:

len1

La luz nos llegará a nosotros idealmente en el camino más corto y le asignaremos una posición en el cielo.

Ahora, tiempo después, coincide que estamos en la misma posición pero el Sol tapa a la estrella.  ¿La veríamos?  La cosa está en que el Sol curva el espaciotiempo a su alrededor, por tanto algunos de los rayos de la estrella siguen los nuevos caminos de la geometría que induce el sol y nos llegan bordeándolo:

len2

Entonces, dado que nosotros vemos la luz llegar, le asignamos una posición en línea recta siguiendo la tangente del camino que en realidad ha seguido la luz, y vemos la estrella en cuestión en una posición que no le corresponde.

Este proceso no solo modifica las posiciones sino que puede hacer que aparezcan varias imágenes de un mismo objeto:

len3

Además de estos efectos, que son extremadamente chulos, induce cambios en la polarización y es capaz de generar modos B a partir de modos E como hemos comentado.

La radiación cósmica de fondo no es más que eso, luz, y a través de la evolución del universo se ha topado con muchas estructuras en formación y evolución. Así que ha sufrido estos procesos una y otra vez, por lo tanto, POLARBEAR ha encontrado modos B generados por este proceso de lente gravitacional sufrida por la radiación de fondo a causa de la estructura a gran escala del universo.

¿Por qué tanta alegría por mi parte?

Por tres motivos:

  1. El artículo ha sido publicado en una revista científica aunque lleva en la calle desde marzo.  Aquí una entrada de Francis en la que habla del tema:  Un buen polvo para un futuro premio Nobel.
  2. Ahora parece no haber duda de que los modos medidos son de origen cosmológico.  Aunque no sean los modos B primordiales, estos modos secundarios nos harán aprender mucho de cosmología.
  3. Se abre la puerta a intentar encontrar, en los regímenes de la radiación de fondo concretos, los modos B primordiales.

Espero haber aclarado el tema.

Nos seguimos leyendo…

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18 Respuestas a “La cosmología del oso polar

  1. Buscando por internet, en un foro, dan esta respuesta a por que seguimos viendo el CBM.

    “What we (or anyone else) see as the CMB at a particular time is a spherical slice of the Universe, with radius such that the light has travelled 13.7 billion years (more precisely known, age of Universe minus 380,000 years). This slice or bubble expands at the speed of light a the Universe ages. Of course it represents material that was relatively close to us when the light left, but it’s taken a lot longer for the radiation to get to us across the expanding Universe. So every location is in the middle of its own CMB sphere. Cosmologists wold love to sample someone else’s, because there is a certain statistical error in properie sof the CMB whch is associated with only being able to sample one location in the Universe at one time (so-called cosmic scatter).”

    Explica un modelo similar al que yo expuse. Así que me gustaría saber si ésta es la razón, o es otra, como han sugerido ( al menos por no confirmarlo).

  2. Pingback: Bitacoras.com

  3. Como todas, ha sido una entrada muy interesante , muy grafica y sencilla.
    felicidades

  4. Lo que no entiendo en la radiación de fondo son varias cosas:
    Si nos alcanza es que ha llegado más tarde que nosotros, y si eso es así es que ha seguido fluyendo a pesar de la creación del universo. Y si es así cual sería su origen. O por el contrario nosotros hemos ido más rápido que la velocidad a la que iban los fotones. Es decir que hemos ido más rápido que la luz? Ya se que esto es imposible, pero estoy perplejo, pero en este asunto soy un completo ignorante. Una aclaración en términos entendibles sería de agradecer.

    • Estoy de acuerdo con Jose, y cuando se habla del fondo cósmico no se explica bien el por que lo seguimos viendo si pasó hace tanto tiempo.

      Jose, supuestamente es en la inflación cuando el universo se expande a velocidades mucho mayores a la luminica. Pero es un proceso teórico para arreglar problemas del modelo big bang.

      Entiendo el que el fondo de microondas es la primera radiación libre que emiten los primeros atomos de hidrógeno. Y por la expansión espacial, tenga un corrimiento al rojo brutal ( sobre 1000).

      Una de las cosas que no entiendo es como podemos seguir viendo esa radiación. A no ser que antes de que se crearan los átomos de hidogeno, el universo tuviera ya casi todo su tamaño. Si no me equivoco, creo que el tamaño del universo es de unos 80.000 millones de años luz y su edad de 14.000 millones. De ello entonces podría concluir dos cosas.
      1) dentro de unos 66.000 millones de años no habría radiación de fondo que ver (aunque tuviéramos tecnología para poder distinguirla con el corrimiento que tuviera).
      2) que estamos a más de 14.000 kilometros del “borde” del universo.

      Y con esta hipotesis, lo que vemos de fondo de radiación irá cambiando con el tiempo, por que no seria otra cosa que la esfera de luz que se radió hace 14.000 millones de años, por lo que me sorprende como supuestamente tiene toda la información.

      Una pregunta a parte. La radiacion de fondo tiene perfil de emision de cuerpo negro, o solo en la banda del hidrógeno ( con corrimiento)?

      Entiendo que mi forma de entender la radiación de fondo no es la correcta, estaría bien una explicación con un desarrollo similar al que hago.

      Saludos

      • Bueno, aquí hay dos cosas:

        A) Todo lo que está en el universo está dentro del universo. Esto significa que cuando decimos que se emitió la radiación cósmica de fondo en realidad solo estamos diciendo que esa radiación dejó de interactuar fuertemente con la materia y se propagó libremente por el universo. Pero nosotros estamos en el universo, así que vemos esa radiación venir desde todos los puntos del cielo. En cualquier otro punto veríamos lo mismo.

        Esto es como si estamos en el fondo del océano y estudiamos desde dónde nos vienen las moléculas de agua que componen el océano, encontraremos que nos vienen desde todas las direcciones.

        Evidentemente, la radiación de fondo no se emitió hacia “afuera” del universo.

        b) Para entender cómo codifica la información cosmológica la radiación cósmica de fondo os recomendaría el minicurso sobre la misma en este blog y la entrada que escribí para Naukas: http://naukas.com/2014/04/01/la-historia-mas-grande-jamas-contada/.

        Espero haber aclarado la duda.

        • No nos estas respondiendo a nuetra duda, siento ser tan malo expresandome.

          De hecho he revisado todos los articulos que recomendabas y aun no me termina de encajar el modelo.

          Lo primero una correccion, que tanto en la inflación como en la expancion, lo que se deforma es el espacio y las distancias entre objetos aumenta (podria ser a mas de c)sin que estos tengan velocidades superluminicas.

          Ahora sigo, lo que no entiendo es que si el fondo de radiación es el retrato del un instante ( cuando la luz es “libre”), es un instante el que crea esa luz y por tanto debería observarse un solo instante. No entiendo por que no es una fuente fija, por que lo podia ver antes y lo podre ver, que crea esa luz estatica.

          En el comentario anterior, propuse una hipotesis, que una vez repasado los articulos veo que estaba por el buen camino, pero tu comentario me hace dudar.

          La superficie de ultima dispersión no depende del tiempo? No seria distinta segun el punto espacial del observador tambien?

          Y ahora me explico, intentando que mi modelo mental sea mas entendible, si puede ser dime en que punto me equivoco.

          1) justo antes de la emisión ďe la radiacion de fondo, el universo ya tenia la mayor parte de su tamaño. Por lo cual, puedo imaginarlo como una esfera maciza y opaca.
          2) se hace transparente toda la esfera y en cada punto y hacia cada direccin se emite la radiación de fondo.
          3) La duracion de la radiación la suponemos en un periodo corto de tiempo.
          4) entonces dependiendo de tu posicion y del tiempo que haya pasado, veras con distribución esferica, de radio igual a años luz ( años de que se género la radiacion), los fotones que se emitieron en tu direccion, en esa esfera. Y esto seria la superficie de ultima dispersión.
          5) Una ves pase el tiempo equivalente a el radio en años luz del momento de la emision de la radiación de fondo mas el tiempo equivalente a la expancion espacial desde la emision, la radiacion de fondo dejará de ser visible, ya que ha pasdo a todos los observadores.

          Entiendo que es probable que me este saltando efectos gordos por la velocidad de expansión, pero en el modelo que propongo puedo entender por que puedo observar el fondo de radiación continuamente.

          Un saludo, y gracias por el blog!!

          • La radiación de fondo está moviéndose por todo el universo en todas sus direcciones. El efecto de expansión lo que hace es aumentar la longitud de onda de dicha radiación, por eso ahora nos llega en forma de microondas cuando inicialmente era mucho más energética.

            La superficie de última dispersión es una idealización que nosotros hacemos desde nuestra posición, el proceso ocurrió en todo el universo a la vez. Así que no tiene sentido decir eso de que “la radiación habrá pasado a todos los observadores” ya que todos los observadores están en el universo y la radiación también y moviéndose en todas las direcciones.

            Un saludo.

            • Creo que sigues sin explicar como un hecho que ocurrió hace mucho tiempo en un momento determinado(“el proceso ocurrió en todo el universo a la vez”), es capaz de persistir y ser visible de forma continua en el tiempo .

              Te falta decirme algo como que la “radiación” rebota en el “borde” del universo o que el universo es cerrado y vuelve. Algo que consiga que la radiación de fondo no termine por desaparecer.

              Vamos a pensar en un suceso similar, imaginamos que de repente cada punto del universo emite luz azul, hacia todas las direcciones, un pulso de un segundo. Mientras durase el pulso de luz, veríamos todo azul, ( tanto por la luz que se genera directamente dentro de nuestros ojos, por la luz que nos llega de una esfera de un segundo luz durante ese segundo que dura el pulso. A continuación, seríamos capaces de ver como una esfera de luz azul, se va “alejando” de nosotros a la velocidad de la luz. dejando a su paso permitirnos ver con normalidad lo que hay detrás de ella. Ésto no sería más que la propia luz del pulso que tarda en llegar hasta nosotros. La intensidad de la luz, tendría que disminuir con el cuadrado de la distancia. y después de un tiempo determinado, se empezaría a notar un corrimiento al rojo por la expansión espacial. Pero llegaría un momento en que termina de recorrer el universo ( a no ser de que esa luz azul pueda “rebotar” en el “borde” del universo). Y cuando el pulso azul, creado en un extremo llegue al otro ( si no hay “rebote”), ese pulso desaparece ( queda la energía de las interacciones y a saber que pasa con la que llega al “borde”).

              Para hacer el experimento mental más “realista” podemos imaginar, que lo único que empieza a emitir radiación es la materia. En dicho caso, ahora el pulso no sería igual para todos los observadores en cada punto del universo, sino que depende de la distribución de la materia en el momento de la emisión ( como entiendo que pasó con el fondo de radiación de microondas), por lo cual, lo que se vería de dicho pulso depende del tiempo y de la posición.

              Saludos!

              • Vamos a hacer este experimento mental.

                1.- Estás dentro de un espacio sin borde donde hay una sopa de fotones que se mueven en todas las direcciones.
                2.- El espacio de expande lo que hace que los fotones moviéndose en todas las direcciones tengan cada vez menor energía, pero se siguen propagando por todo el espacio, todo el espacio.
                3.- Cuando tú detectas unos fotones de esa sopa, detrás vendrán otros, y detrás otros, y detrás otros.

                La clave está en que esos fotones no se “produjeron” en ningún momento, ya estaban ahí en todo el universo y nosotros estamos dentro del universo recibiéndolos de forma continua desde todas las direcciones. La analogía de alguien dentro del océano rodeado de moléculas de agua me parece muy acertada y cercana para este ejemplo.

                • Lo primero, gracias por la respuesta. Puede que sea mi mente clásica lo que hace que siga sin entenderte del todo. Pero no creo que nadie entienda la causa de ver el fondo de microondas ( invariante e independiente de la posición del espacio donde te encuentres) continuamente.

                  ¿Sería posible, que digas, en el modelo que he planteado, donde estoy equivocado?

                  Luego sobre el modelo que propones:

                  En el punto 1, hablas de una sopa de fotones que se mueven hacia todas las direcciones, pero no dices de donde parte cada uno ni cuando.

                  En el punto dos estamos de acuerdo.

                  El punto 3, entonces dices que detectas un foton tras otro que viene de esa sopa indefinida. ¿ y supongo, por que no lo has aclarado directamente, que todos los que llegan de la misma dirección, han de tener la misma energía? ( Para que la radiación de fondo no dependa del tiempo, Otra cuestión que no has aclarado)

                  Luego hablas de fotones que no se produjeron, sino que estaban (muy creacionista , no?). En cualquier caso, estaban , si , vale, pero estaban cada uno de ellos en un punto del espacio, viajando a la velocidad de la luz en un sentido dado. Así que algún día llegarán o a ser absorbido por materia, o al “borde”, pero todos terminarán por llegar.

                  Invito a opinar a terceras personas para orientarnos, por que tal vez estoy obviando algo o explicándome de alguna forma inadecuada.

                  Saludos

                  • ¿Sería posible, que digas, en el modelo que he planteado, donde estoy equivocado?

                    Es que lo que has planteado no tiene mucho fundamento en general.

                    En el punto 1, hablas de una sopa de fotones que se mueven hacia todas las direcciones, pero no dices de donde parte cada uno ni cuando.

                    Durante la evolución del universo, en sus primeros instantes se crearon fotones, pares de partículas y antipartículas, etc. Los pares de partículas y antipartículas se aniquilaron en gran parte dando lugar a mas fotones y un remanente de partículas cargadas, especialmente electrones y protones. Esto ocurría en todos los puntos del espacio. Ahora solo quedan partículas cargadas y fotones en todo el espacio (poco más) y los fotones colisionan con esas partículas continuamente, están distribuidas de forma homogénea por todo el espacio. En las zonas donde la densidad de partículas cargadas es mayor también lo es la densidad de fotones porque estos no dejan de colisionar con las partículas circundantes, en las zonas de menor densidad de partículas cargadas hay menor densidad de fotones.

                    Cuando el universo se expandió tanto como para que la energía del mismo estuviera debajo de la energía de ionización del hidrógeno, electrones y protones se unieron formando átomos de hidrógeno. Esto es un sistema neutro y los fotones ya no colisionan. ¿Qué queda? Una distribución de hidrógeno y una sopa de fotones (creados en procesos muy anteriores) que están en todos los puntos moviéndose hacia todas las direcciones (por el principio cosmológico).

                    Evidentemente cuando miramos desde nuestra posición a distintas direcciones los fotones que nos llegan de esa dirección procede de una región de alta o baja densidad y eso hace que lleguen fotones de más o menos energía.

                    Así que:

                    a) Los fotones ya estaban antes.
                    b) Los fotones estaban en todas partes.
                    c) Los fotones se desacoplan de las partículas cargadas al producirse el hidrógeno neutro. Esto se llama época de recombinación.
                    d) Esa es la radiación que vemos. Los fotones más energéticos vienen de zonas menos densas en la época de recombinación. Los fotones menos energéticos vienen de zonas más densas en la época de recombinación.

                    Esa es la imagen pedestre de la radiación cósmica de fondo.

                    • Gracias otra vez por la respuesta, pero sigues sin responder a la pregunta, supongo que por mi culpa por ser disperso y plantear varias cosas y no ser concreto.

                      La duda, es y siempre ha sido ¿como sigo viendo la radiación de fondo , después de tantos años que se generó?

                      Lo más que llegas a decir, es que es por que se “emitió” en todo el espacio en todas las direcciones (cosa que yo había asumido ya). Pero no has dado el paso de explicar como haberse emitido en todo el espacio, hace que lo veamos ahora, 14.000 años después (y menos explicado queda , que sea estacionario y no dependa de la posición del observador).

                      Sabemos (intenta ser permisivo e interpretar palabras que no son precisas):

                      Los fotones partieron de todas partes y hacia todas las direcciones.

                      Pero, para poder ver dichos fotones (la radiacion de fondo), tengo que poder ver fotones que partieron hace 14.000 millones de años, y se han debido de ver durante ese tiempo también.

                      Entonces, como esa radiación se emitió en un periodo de tiempo corto, lo que nos queda es jugar con el retardo de la luz en llegar desde un punto hasta otro para poder seguir viendo algo que paso hace tanto tiempo.

                      Propuse un modelo punto por punto y el ejemplo del pulso de luz azul, para que pudieras decirme donde falla el razonamiento (mío) o la física (mía).

                      Sobre tu último comentario, explicas con excelente detalle como se ponen en juego los fotones que constituyen la radiación cósmica. Y sus consecuencias.

                      Yo ya lo había descrito en mis otros comentarios, con menos detalle y certeza. La parte que nos interesa para la cuestión.

                      De mi primer mensaje “Entiendo el que el fondo de microondas es la primera radiación libre que emiten los primeros átomos de hidrógeno”

                      De mi segundo mensaje, cuando planteo el modelo: “2) se hace transparente toda la esfera y en cada punto y hacia cada dirección se emite la radiación de fondo.”

                      Pero no explicas, cual es la razón de que después de 14.000 millones de años, puedo verlos. Y por que ésta radiación de fondo será igual en el tiempo, y por que es igual para distintos lugares del universo.( que es la duda desde el principio).

                      En cada uno de mis comentarios, he hecho referencia a que la duda es, entender, entender, como seguimos viendo ese fondo (y que sea estacionario y no dependa de la posición del observador).

                      Saludos!

      • En la segunda conclusión, eran 14.000 millones de años luz

  5. menudas semanitas más intensas

  6. Antonio (AKA "Un físico")

    Una aclaración.
    (1) La hipótesis de que r es distinto de cero estaba, con Bicep2, confirmado con 7 sigmas. Luego resultó que no, que los de Bicep2 se pudieron equivocar con el polvo cósmico.
    (2) Los satélites Planck confirmaron esa misma hipótesis con 2.5 sigmas.
    (3) Ahora, bueno en realidad en un artículo publicado hace meses, Polarbear descarta la hipótesis de que sus resultados estén influídos por lentes gravitacionales con algo más de 2 sigmas.
    En mi opinión todas estas “evidencias experimentales” habrá que ir tomándolas con cierto escepticismo. (Por cierto, no soy tan optimista como Francis: no creo que acierte en su predicción de los Nobel).

  7. Pingback: BreakingNews: El oso polar que vio el origen del universo | Cuentos Cuánticos

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