El caso de BICEP2. Así funciona la ciencia


Science Word Art

En marzo de 2014 hubo un gran revuelo porque el experimento BICEP2 dijo haber encontrado ondas gravitacionales procedentes del mismo origen del universo.

La cuestión no es nada trivial porque eso significaría que podríamos estudiar como era nuestro universo en su mismo origen y abría la puerta a una mejor comprensión del proceso de origen del universo y un espaldarazo final a la teoría cosmológica inflacionaria.  También se abría la puerta a empezar a tener un elemento para entender los procesos cuántico-gravitatorios que regían en el origen de nuestro universo.

En este blog y en muchos otros medios se escribió mucho sobre el tema. Pero si preguntamos hoy por ese resultado todos dirán que fue un error de medida y que no podemos asegurar que se hayan detectado tales ondas gravitatorias primordiales, las originadas en el origen del universo.

Me parece que a estas alturas tenemos la suficiente perspectiva y la suficiente tranquilidad como para analizar la situación.  Me parece también que es un gran ejemplo de como funciona la ciencia.  Creo que esta historia es un magnífico caso para exponer en los institutos y enseñar qué entendemos por pensamiento crítico, escepticismo científico y el modo en el que la ciencia opera.

La cosmología inflacionaria muy resumida

Actualmente, el modelo cosmológico dominante es el llamado inflación cosmológica.  Vamos a resumir en qué se basa:

  1. Inicialmente teníamos una situación de falso vacío.  Es decir, los campos existentes, que pueden ser uno o varios denominados inflatón, tienen una energía no mínima pero en el que no había partículas presentes.
  2. Este campo inflatón en este estado de falso vacío está sujeto a fluctuaciones cuánticas ineludibles.  Es decir, los valores del campo y su energía varían.  Sin embargo, según la cuántica estas variaciones no son directamente observables, aparecen y desaparecen en breves instantes de tiempo.  Esto es debido a la indeterminación cuántica que es parte intrínseca de la física tal y como la entendemos en la actualidad.higgs2
  3. Debido a que los sistemas tienden expontáneamente al estado de mínima energía este campo en su estado de falso vacío puede caer al vacío real.  El vacío real es el estado de mínima energía.higgs3
  4. La cosa se pone interesante cuando metemos la gravedad de por medio. Un espaciotiempo que contenga campos en un estado de falso vacío está sujeto a una gran expansión, una expansión inflacionaria.
  5. Al pasar al estado de mínima energía, el vacío real, el espaciotiempo frena su expansión y el exceso de energía se invierte en crear campos y partículas que evolucionarán hasta dar lugar a las que conocemos actualmente.Dibujo sin título
  6. Lo interesante es que en el proceso de frenado, cuando cae hacia el estado de mínima energía, el campo fluctua, es decir, a veces tiene más energía,  a veces menos.  Esas fluctuaciones son importantes porque nos dicen que habrá regiones con un poco más de densidad de materia que otras.
  7. Llegados a este punto el espaciotiempo en el vacío real del inflatón se comporta como se comporta nuestro universo.  Se expande de forma no exponencial y está lleno de partículas.

Algunas predicciones genéricas de la inflación

Las predicciones genéricas de la inflación sobre el universo se pueden resumir en:

  1. El universo ha de ser plano.   Esto es porque da igual la forma inicial de la región en la que se diera el paso de falso vacío a vacío real, la expansión brutal del universo en estado de falso vacío hace que cualquier geometría tienda al plano.  Para no complicarnos con cuestiones geométricas que son difíciles de discutir aprovechemos la relación que existe entre geometría y distribución de energía.  Que el universo sea plano se traduce en que hoy tiene que tener una densidad de energía característica.  Esta densidad crítica de energía equivale a la que tendríamos al poner solo 5 átomos de hidrógeno por metro cúbico.
  2. El universo ha de ser muy homogéneo pero ha de tener diminutas inhomogeneidades que son herencia de las fluctuaciones cuánticas del origen del universo que hemos comentado en la sección anterior.  Habrá regiones con más densidad de energía que otras.  Se estima que las diferencias no son superiores a 1/10000.

Resulta que tenemos una herramienta para contrastar estas predicciones genéricas.  La radiación cósmica de fondo.  Esta es una radiación en forma de fotones que se predice que tuvo que aparecer por primera vez unos 380.000 años después del origen del universo. En este blog hemos hablado de ella con generosidad, usad el buscador si así lo deseáis.  El caso es que su existencia está fuera de toda duda y ahora podemos medirla y estudiarla.

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.

Esa es la imagen de los datos tomados por el telescopio PLANCK sobre la radiación cósmica de fondo.  Es una radiación que nos llega ahora en forma de microondas desde todas las direcciones del cielo.  Esta radiación tiene una temperatura promedio en todos los puntos de 2.7 Kelvins, (-271º C, aproximadamente).  Sin embargo, no es totalmente homogénea, hay variaciones, puntos más calientes y puntos más fríos.  La diferencia no es superior a 1 parte en 10000.

Esas fluctuaciones están en concordancia con las predicciones de fluctuaciones dadas por los modelos inflacionarios.

De esta gráfica se extrae esta otra:

nighwatch

De esta gráfica podemos extraer información muy importante sobre el universo.

primerainformacionpotencia

geometriapotencia

materiaoscura

De esa gráfica podemos asegurar que nuestro universo es plano, es decir, tiene una densidad de energía particular, la denominada densidad de energía crítica.  Podemos deducir que hay energía y materia oscuras.

Consistencias y evidencias

Volvamos a mirar las gráficas de la radiación cósmica de fondo:

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.

nighwatch

Aquí tenemos dos cuestiones que discutir:

1.-  Los puntos rojos son los datos observacionales, lo que medimos en el cielo.

2.-  La línea azul es una línea teórica dada por modelos inflacionarios.

Como vemos, esta línea se ajusta muy bien a los datos observacionales lo que da lugar a que podamos afirmar que los modelos inflacionarios son consistentes con lo que sabemos y medimos de nuestro universo.  Pero esto solo indica consistencia, no podemos descartar que no haya otros modelos que ajusten tan bien o mejor a los datos observacionales.  Por eso no podemos afirmar que la inflación tuvo lugar, aunque todo apunta a que sí, solo podemos decir que es una descripción consistente del origen de nuestro universo.

Para poder decir que los modelos inflacionarios son la última palabra en nuestro entendimiento del origen del universo hemos de buscar alguna predicción que solo la hagan los modelos inflacionarios.  Una predicción que nos permita dilucidar si los modelos inflacionarios son algo más que consistentes, si son la última respuesta a las preguntas que hemos conseguido responder hasta la fecha.

La última evidencia, la predicción definitiva

La inflación sí hace una predicción definitiva.  En el origen del universo además de las fluctuaciones de densidad de energía tienen que surgir ondas gravitacionales.  Esas ondas gravitacionales se denominan primordiales porque se originaron en los primeros instantes de existencia de nuestro universo.

Como sabéis, detectar ondas gravitacionales no es nada fácil porque son de muy baja intensidad.  ¿Cómo vamos a ver ondas gravitacionales primordiales entonces? La respuesta viene otra vez de la radiación cósmica de fondo.  En esa radiación han de quedar muestras impresas de dichas ondas gravitacionales en lo que conoce como polarización de la luz.

Las microondas del fondo son ondas electromagnéticas y como tales ondas pueden oscilar en distintas direcciones.  Si por algún proceso todas las ondas que salgan de una región nos llegan oscilando en la misma dirección decimos que están polarizadas.  Así que si asociamos flechas para indicar la dirección de oscilación de las ondas electromagnéticas tal y como las observamos podemos tener un mapa de polarización.

filtered-boomerang

Hay dos tipos de patrones en la polarización, los modos E y los modos B:

b-modes

Los modos E aparecen por interacción entre la materia que estaba cuando el universo tenía 380.000 años y la radiación emitida. Los modos B son los que pueden ser producidos por ondas gravitacionales producidas en el origen del universo.

04.03_bang

Los modelos inflacionarios predicen fluctuaciones de densidad y un patrón de ondas gravitacionales.  Ambas cosas se han de poder ver en la radiación cósmica de fondo.

predicinfla

Lo que se busca en los patrones de polarización es el ratio entre modos E y modos B.  Es decir, cuánto hay más de uno que de otro.  Esa es la predicción definitiva de los modelos cosmológicos que dan un determinado valor a ese cociente.

Lo que dijo encontrar BICEP2

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BICEP2 es un observatorio diseñado para mirar el fondo cósmico de microondas y su polarización que está situado en el polo sur.

Lo que dijeron encontrar se resumen en esta imagen:

BICEP_B-modes-map2_556px

Habían medido los modos B de la polarización del fondo cósmico. Habían encontrado las huellas de las ondas gravitacionales del origen del universo.

El artículo de BICEP2 es:

Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2

Y según los resultados obtenidos el valor del cociente entre modos E y modos B, que se representa por r, de la polarización del fondo de microondas sería  r=0.2. Lo importante es que sería distinto de cero y comprobaría la predicción de algunos modelos inflacionarios.

En el artículo podéis encontrar esta gráfica para el cálculo de dicho valor:

likebicep2

Esa es la función que nos dice qué valor del cociente entre modos E y modos B es más factible con los datos acumulados en el experimento. Resulta que el valor es r=0.2.

Así que de ser cierto el resultado tendríamos que esta imagen:

BICEP_B-modes-map2_556px

pasaría a ser una de las más importantes de la historia de la ciencia.

El polvo que lo enturbia todo

Tan pronto como salió el resultado empezaron la críticas por parte de otros experimentos y gentes que trabajan en teorías alternativas a la inflación.  La razón era simple, todo el mundo tiene que sospechar de un resultado tan importantecomo este, así trabaja la ciencia.

El problema es que BICEP2 no barre todo el cielo sino que estudia solo una pequeña región del mismo y lo que ve es esto:

fig1

Esto es lo que se ve de la radiación cósmica de fondo y la emisión en microondas de nuestra galaxia.  Nosotros hemos aprendido a eliminar la contribución de la galaxia para llegar a la radiación cósmica de fondo pero hay que tener claro que la galaxia está ahí.  ¿Por qué es esto relevante?

Principalmente porque la región que BICEP2 estudia está “contaminada” por polvo galáctico y eso es un problema.  El problema es que no podemos asegurar que ese polvo, por el que la radiación cósmica pasa, no introduzca modos B que no tenemos controlados y que en realidad el hecho de que haya modos B y que r no sea cero sea debido al polvo galáctico.

La unión de experimentos

Evidentemente, no solo hay un experimento estudiando todo esto. Al fin y al cabo es una cuestión esencial para la cosmología.  Así que otros experimentos combinaron sus resultados y sus medidas de la polarización del fondo de microondas con los resultados de BICEP2.  El resultado más importante es el de la combinación de los resultados y técnicas de BICEP2, KECK y PLANCK.  El análisis combinado se presentó este mismo año en el siguiente artículo:

A Joint Analysis of BICEP2/Keck Array and Planck Data

La unión de estos experimentos pudo determinar el siguiente valor para r:

likebkp

El resultado combinado, descontando el efecto del polvo galáctico en la región de medida de BICEP2, está dado por la línea negra.  Así lo más probable es que r=0.05.   Es decir, aún existirían modos B  y la razón entre ellos y los modos E sería distinta de cero.  El problema es que no se puede descartar que ese efecto no sea debido a la presencia del polvo y nada más, nada de ondas gravitacionales primordiales.

Conclusión:

No podemos afirmar que hayamos visto las huellas de las ondas gravitacionales primordiales y los datos de BICEP2 seguramente sean debidos a polvo galáctico.

Bien, esa es la conclusión a la que hay que llegar, así funciona este negocio.  Para un análisis más extenso de todo esto os recomiendo la entrada que escribió Francis al respecto:

El artículo BICEP2/Keck/Planck sobre los modos B primordiales.

Lo grande de la ciencia

Si buscáis por ahí todo el mundo habrá escrito que hemos de olvidarnos del descubrimiento de las ondas gravitacionales primordiales y que por lo tanto no hemos confirmado una predicción crítica de los modelos inflacionarios.

Yo no voy a ir en contra de ello, pero sí me gustaría remarcar un detalle que no se le ha dado importancia en todo este asunto.  Para ello me basaré directamente en el artículo de BICEP2-KECK-PLANCK.

En las conclusiones del artículo se puede leer:

conclu

Lo subrayado reza tal que así:

La curva de acotación de r tiene un pico en r=0.05 pero el valor cero solo está desfavorecido en un factor de 2.5.  Esto es lo que se espera por puro azar el 8% de las veces como se confirma en simulaciones de un modelo que solo contiene polvo.  Hemos de enfatizar que esta significación es muy baja para ser interpretada como la detección de modos B primordiales.

Lo interesante es esta parte:

Esto es lo que se espera por puro azar el 8% de las veces como se confirma en simulaciones de un modelo que solo contiene polvo.

Eso quiere decir que los datos obtenidos solo se pueden explicar por la presencia de polvo en un 8% de las veces que se simula la radiación cósmica de fondo en un universo sin ondas gravitacionales primordiales.  Leído de otro modo se puede decir que podemos afirmar que lo que hemos visto es debido a las ondas gravitacionales primordiales con un 92% de confianza. Un 92%.

Y con un 92% de confianza en los datos la ciencia nos dice:  NO PODEMOS CONFIAR EN QUE HAYAMOS ENCONTRADO LAS ONDAS GRAVITACIONALES PRIMORDIALES.

Eso es escepticismo y autocontrol en estado puro. Así funciona la ciencia.  Por supuesto hay ya en marcha otros experimentos diseñados para despojar de toda duda razonable estos resultados.

Me parece una lección que se habría de explicar a todos los alumnos de ciencias o letras de los institutos.  Este es el modo de trabajo en ciencia.

Nos seguimos leyendo…

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21 Respuestas a “El caso de BICEP2. Así funciona la ciencia

  1. Muy interesante, digno de análisis y a esperar nuevos resultados que validen o no este hallazgo. Saludos

  2. Finalmente, lo que interesa es lo “mio” descartando lo “tuyo”
    Así no se puede lograr nada

  3. Puede ser que el resultado final sea consecuencia directa de no haber ajustado el condensador de electrones y eso lleva a una curvatura de + 5 radiantes que invalida todos los supuestos establecidos

  4. Es muy sospechoso que el experimento sea diseñado apuntando a una zona del espacio donde todos saben que hay polvo cosmico de nuestra galaxia, y que éste pude afectar las mediciones. Aunque la conclusión del 92% de certeza parece ser suficiente razón. Algo así como que quisieron demostrar las ondas gravitaciónales primordiales, aunque el área observada estuviera contaminada con interferencias.

  5. Antonio (AKA "Un físico")

    Yo tengo una opinión. Si no os gusta, pues, honestamente: me da igual.
    Enrique afirma en su artículo que Bicep2 es un ejemplo “para exponer en los institutos y enseñar […] el modo en el que la ciencia opera”. A los que seais profesores de instituto, lo único que os digo es que investiguéis todo este asunto por vuestra cuenta.

  6. Sin necesidad de caer en exageraciones postmodernistas, es innegable que en la ciencia hay mucha “sociología” de por medio (y digo “sociología” por emplear el término de Smolin).

    Me acuerdo por ejemplo que a los de los neutrinos hiperlumínicos les llovieron palos por doquier por publicar sus resultados de forma supuestamente prematura, hasta el punto de que rodaron cabezas cuando se advirtió el fake. En cambio a estos de BICEP2 parece que todo se les perdona.

    Bien, seguro que hay mil diferencias entre ambos experimentos y en el modo de proceder de los dos equipos pero una que no se debe desestimar es el hecho de que mientras los resultados de los primeros iban contracorriente (y mucho, pues contradecir la relatividad no es moco de pavo), los de los segundos iban a favor (sus resultados corroboraban la inflación, que ya es casi un dogma) de modo que inicialmente la gran mayoría se subió al carro de forma menos cautelosa de lo que hubiera sido deseable.

    Vale, tiene algo de cierto lo de que afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias, pero no lo es menos que hay que ser valiente y tenerlos bien puestos para jugarse la reputación y el futuro profesional publicando resultados fuera del mainstream. De ahí que si somos indulgentes yo siempre lo sería mucho más con los los heterodoxos.

    Bueno, y aprovecho para decir también que me gusta mucho el blog.

  7. La leyes físicas para ser creíbles deben ser predictivas y aquí no lei nada de eso.

    Medir puntos, trazar una curva uniéndolos, después crear una función que reproduzca la curva, es para aprendices de matemáticas.

    Pero eso nada tiene que ver con la física.

    Nada pueden predecir y probar mediante experimentos reproducibles por cualquiera.

    Son farsantes, con cómplices, pagos o gratuitos ; ¿Te suena cuentos cuánticos?

    Aparte de ser posible, que sean útiles a la humanidad ; O en todo caso que se pongan a investigar el sexo de los ángeles.

    El amigo de la Onza:

    Rubén Ardosain

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  9. Antonio (AKA "Un físico")

    Lubos, por un comentario parecido al que sigue, me echó de su blog:
    Para mi, el error de Bicep2 evidencia los males que aquejan a la ciencia. Un diseño mal planteado lleva a unos resultados no concluyentes. Pero como estos proyectos manejan mucho dinero, se publicita una conclusión (que ya previamente al experimento se manejaba como plausible) se crea una falsa expectativa (y un falso debate) y se obtiene más tiempo para comprobar si la r es distinta de 0. Esto no es ciencia, señores, esto es un fraude con todas las letras: FRAUDE.

      • Muy didáctica y clara exposición Cc y como se agradece divulgadores que nos acerquen la ciencia genuina a los que nos interesan estos temas.
        Respecto de Antonio Aka, científicamente se observa y constata una vez más la envidia hacia la preparación, inteligencia y valía de Cc.

    • ¿Cómo va a ser fraude? Se apuntó a esa región precisamente porque con los datos que se disponía por aquel entonces se consideraba una zona libre de polvo. De hecho incluso ahora se desconoce cuanto polvo hay, pues es difícil de estimar, por lo que sí que podría haber encontrado indicios de modos B (de ahí lo del 8%).

      El problema es que por consenso si la probabilidad del azar no es menor a un 5% no se considera estadísticamente significativo. Pero refinando el detector y la medición del polvo galáctico se puede llegar (o no).

      • Antonio (AKA "Un físico")

        Jose, mi calificación de FRAUDE es muy personal.
        Tú lo puedes calificar como quieras. Pero debes investigar por tí mismo para descubrir la verdad. La verdad real, no la verdad encorsetada que blogs como éste (o el de Motl) nos ofrecen.
        Por ejemplo, Jose, ¿sabías que, inicialmente, Bicep2 estaba diseñado para escanear en dos frecuencias?.

        • La tontería de algunos no tiene límite. La verdad es verdad, venga o no venga encorsetada o con dibujitos o sin ellos o como venga. La “verdad real”: jojojojojojo. Algunos creen que todos nos chupamos el dedo. Si en este blog(o en otros) nos ofrecen “verdades encorsetadas” no por eso dejan de ser verdades. Las conspiranoias y estupideces varias pueden ir a otro lado. Profundizar más siempre se puede, pero aquí en este blog por ahora solo me cuentan verdades(y eso es lo que realmente importa) encorsetadas, machorras, de perogrullo o como sea pero verdades.

    • “emmm… Leiste el articulo??” otro “emmm”… sabes al menos de estadisticas???….

  10. Pingback: El caso de BICEP2

  11. maldito alfa…. como es de importante ese bendito 5%

    • Vaya por delante mi reconocimiento a los astrofísicos de Planck y Bicep2 por su estupendo trabajo. Parece que el polvo cósmico que atraviesa el universo se presenta como un “enemigo”, un contaminante que distorsiona las medidas de Bicep2, se sospecha que ese polvo introduce modos B y por consiguiente da un valor positivo para r. ¿Es posible eliminar el polvo cósmico de la medición? Lo veo complicado, pero además de complicado lo veo innecesario.

      Si tenemos en cuenta que el medio cósmico no tiene atmósfera, el viento universal es la radiación, no sólo la radiación de microondas, también la radiación infrarroja, la gamma, las ondas de radio, etc. Los diversos tipos de radiación interactúan con las condensaciones de materia, por muy ligeras que estas sean, para que la temperatura cósmica no alcance un gradiente de ultracongelación, un universo completamente helado sería opaco a la radiación y la materia universal se fosilizaría en la muerte térmica. Esto me lleva a pensar que el polvo cósmico colabora en la polarización de los modos B y además evita la muerte térmica del universo.

      Ahora bien, se han detectado anisotropías a grandes escalas, gradientes de temperatura muy inferiores a la media que hacen dudar de la universalidad de los modos B y del comportamiento uniforme de las ondas de gravedad. Esto no refuta la teoría inflacionaria aunque exige más investigaciones que permitan aclarar el panorama. Esto es consecuente con el desarrollo actual de nuestra tecnología, a la que todavía le queda un largo recorrido para conseguir resultados mejores. Una cosa es el entusiasmo que depositamos en nuestras teorías y modelos y otra bien distinta es la precisión de los dispositivos tecnológicos que hemos diseñado.

      • intrincado comentario, pero… a que viene??

        • pero… a que viene??… A nada.
          ¿No conoces a dynnamicus, (o groovy como se hace llamar en otros foros)?
          Es un lector de artículos de divulgación que no entiende nada de lo que lee, pero memoriza la jerga técnica, la mezcla sin ton ni son y suelta estos incoherentes plomo-comentarios en los blogs de Ciencia.
          Debe creer que los que los leemos pensaremos que lo suyo es sabiduría, pero lo que realmente notamos es que sus conocimientos reales en Ciencia son pobrísimos, que su capacidad de comprensión de la Física es escasísima y que este señor tiene un grave problema de personalidad. Saludos David.

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