13 de abril de 2015
BICP2 y las primeras fracciones de segundo después del Big-bang
BICP2
y las primeras fracciones de segundo después del Big-bang
17
de marzo de 2014 por Markus Rössel
Los
rumores ya fueron bastante específicos en los últimos días. Y durante el jueves
recibí una urgente consulta de Nature en
relación a algunas de mis animaciones de las ondas gravitacionales 1) esto
naturalmente me hizo pensar. Ahora salió la noticia de los colegas del Harvard-Smithsonian
Center for Astrophysics (CfA), y los rumores se han confirmado: Los colegas de
allá afirman que en la radiación de fondo cósmico, han evidenciado vestigios que
provienen de ondas gravitacionales extremadamente tempranas que podrían dar
información sobre las primeras fracciones de segundo después del Big-bang.
¿De
qué se trata?
Expansión cósmica
De
acuerdo al modelo estándar de la cosmología el universo se expande. 1) Esto significa (entre otras cosas), que las
galaxias, en el promedio, con el tiempo
se separan entre si. Lo que se separa anteriormente estaba más quinto. Si
se persigue laña expansión 13,8 mil millones de años hacia el pasado, entonces
la materia tan comprimida que el universo estaba relleno con una mezcla de partículas
elementales extremadamente densa y caliente. Esta era la tal llamada fase del Big-bang 1)
Luz de la fase temprana
La luz de esta temprana fase aún se puede ver. ¿Por qué
sucede esto? Porque los astrónomos siempre miran hacia el pasado. El Sol está
tan lejos, que su luz necesit6a 8 minutos para llegar aquí a la Tierra. Nosotros
solo lo vemos cómo fue hace 8 minutos, nunca cómo es ahora en este momento (donde de la simultaneidad es un término problemático 1). La luz
de la galaxia Andrómeda necesita unos 2,5 millones de años, para alcanzarnos: Entonces
a esta galaxia la vemos como fue hace 2,5millones de años atrás.
¿Hasta
dónde podemos mirar al espacio?
Esto
depende de la dirección. Si una estrella o una galaxia nos obstaculizan la vista,
se acabó – más allá que hasta esa estrella o galaxia no podemos observar nada
en esa dirección.
Pero
y tampoco en aquellas direcciones donde en las cuales no existen estrellas o
galaxias, entonces en algún momento se terminó, puesto que estamos mirando
hacia el pasado. Suponiendo, en una determinada dirección, no obstruye la vista
ninguna estrella, galaxia o nebulosa. Entonces podemos mirar tan profundo al
espacio, que la luz necesita 13,8 mil millones de años del lugar observado. Pero
esto significa: Nosotros vemos ese lugar cómo fue hace 13,8 mil millones de
años. Hace 13,8 mil millones de años, en el lugar observado – y en todos los
lugares del universo – fue justo el
momento de la fase original del Big-bang. En esta fase el universo estaba por doquier lleno con un denso, caliente
y opaco plasma.
Esto
significa: Cuando miramos tan profundo en el espacio, que vemos el tiempo de la
fase del Big-bang, entonces nos encontramos con plasma totalmente opaco, en
todos los lugares, sin importar hacia donde miramos. Más exacto: Lo que vemos,
es el estado en aquella relativamente corta fase, en el cual este plasma opaco,
se hizo transparente. Esto sucedió, debido a que el universo con la expansión se
ha enfriado tanto, que los núcleos atómicos (especialmente núcleos de Hidrógeno = protones) y electrones se unieron para formar
átomos – el plasma se transformó en gas atómico.
La
radiación que traspasó al plasma – como la radiación del calor con la misma temperatura
del plasma – se liberó en este momento de la formación de los átomos y pudo
recorrer el universo sin impedimento. En base a la expansión perdió constantemente
más energía haciendo que las ondas fueran cada vez más largas (“el corrimiento
al rojo cósmico”). Hoy nos alcanza principalmente cómo radiación de microondas,
llamado fondo
cósmico de microondas o radiación cósmica de fondo.
Radiación calórica y fluctuaciones
La
radiación de fondo cósmica es una tal llamada radiación térmica – cómo su energía
repartida sobre partículas de la luz de las más diversas largos de ondas
(corresponde: Las diferentes frecuencias posibles, o de las
posibles energías de las participas de la luz), está
determinado por un sólo parámetro, la temperatura. Un cuerpo, que tiene una determinada
temperatura T y que puede absorber o emitir radiaciones, emitirá su radiación
calórica característica pata su temperatura.
La
temperatura de la radiación cósmica de fondo se da de la temperatura del plasma
en la ya descrita fase, en la cual se formaron los primeros átomos. Con la
expansión cósmica y el adjuntó corrimiento hacia el rojo también varió la temperatura
de la radiación térmica. La temperatura de la radiación calórica deña radiación
de fondo, tal cómo la podemos observar hoy desde la Tierra, en la actualidad apenas
tiene 2,67yKelvin, o sea 2,7 °C sobre el cero absoluto, unos redondos -270 grados
Celsius. En el momento de la emisión de la radiación, la temperatura era de3000
Kelvin, o sea, unos 2700 °C. Esto es caliente, pero no extremadamente caliente,
es aproximadamente l temperatura filamento de una lámpara de halógeno.
Problemas de los modelos FLRW de la cosmología
Los modelos Friedman-Lemaître-Robertson-Walker
(modelos FLRW) de la cosmología - universos homogéneos, describieron en base a la teoría general
de la relatividad de Einstein, distinguibles
entre sí por medio de algunos
valores de los parámetros – describen con mucho éxito,
que efectos han de esperarse, cuando un universo se expande: El corrimiento hacia
el rojo de la luz de las galaxias en dependencia de la distancia, la presencia y
las propiedades de la radiación del fondo cósmico, la distribución de galaxias
en el espacio y otras predicciones, que a mano de los datos observados se pueden
confirmar, han conseguido, que los modelos estándares son aceptados en general por
los astrónomos.
Desde luego estos modelos tienen algunos
problemas. Quizás el más conocido es, que deben postular a tipos extraños de la energía y la materia – materia y energía oscura, para poder explicar el curso de la expansión y la manera dec´0omo
estaba aglomerada la materia ya durante la fase del Big-bang. Pero aquí no trata
de este tema.
Algunos
otros problemas: ¿Por qué la geometría del universo es euclidiana, o sea, la morisma
que aprendemos en la escuela (la suma de los ángulos interiores de un triangulo
es de 180 grados)? La teoría de Einstein, también permite otras posibilidades;
para tener hoy, 13,8 mil millones de años de pues del Big-bang, en el marco de
la exactitud de medición para un universo euclidiano, un determinado valor de
un parámetro de los modelos, debería tener exactamente el valor 1 o ser lo más
cercano posible a este valor. Para ambos casos una explicación sería conveniente.
Luego
la homogeneidad del universo, que se refleja en la uniformidad de la radiación de
fondo cósmica - ¡Radiación calórica con casi exactamente la misma temperatura desde
todas las direcciones! ¿Cómo se origina esto? Si se trata de un equilibrio térmico
normal, entonces se puede esperar: Mientras que un sistema esté suficientemente
contactado a otro, con el tiempo se produce un equilibrio térmico; El sistema
más frio se calienta y el más caliente se enfría, y al final ambos tienen la
misma temperatura. Pero para que esto pueda suceder, los sistemas deben estar
en contacto y poder intercambiar energía. Las diversas regiones cálidas iguales de la radiación cósmica de fondo, enpaar5te están tan separadas, que
entre el Big-bang y la liberación de la radiación de fondo no pudo intercambiar
señales. ¿Cómo entonces tienen la misma temperatura
con tanta concordancia?
Por último, pero no menos importante: Para
las fases muy tempranas calientes del universo, (reconocidamente no probado en este campo, y tampoco del todo claro) algunas teorías
extrapoladas de los físicos de partículas, predicen la formación de partículas exóticas,
entre ellas “mono polares” (o sea, partículas con sólo un polo magnético –
cuando todos los imanes, que conocemos los polos magnéticos siempre aparecen en
forma de pares, polo norte y polo sur, como parte de un solo imán). Partículas
cómo estas no se han encontrado. Si con los convencionales modelos FLRW, se
calcula en qué medida fueron expandidas estas partículas por la expansión desde
la fase prístina y cuantos deberíamos encontrar con los experimentos, se
descubre, que sí deberíamos poder lograr demostrar su existencia. Pero o las
hemos evidenciado. ¿Qué salió mal?
Modelos inflacionaritos
La
historia de los modelos inflacionarios está bastante ramificada – Wikipedia al
respecto la describe en forma algo más exacta; los protagonistas son el ruso
Alexej Starobinski, quien desarrolló el primer modelo, que no se conoció en el
occidente y que por esto, fue nuevamente inventado por Alan Guth. El segundo
invento paralelo: Andrej Linde por un lado, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt
por otro lado inventan un camino, cómo un modelo inflacionario cómo este puede omitir
un modelo FLRW normal y generar de esta manera al universo, en el cua vivimos
actualmente.
Modelos
inflacionarios, sucintamente: En los inicios del universo, a partir de milmillonésima
milmillonésima milmillonésima milmillonésima fracción de un segundo después del
momento cero del tiempo cósmico, el universo realiza una impetuosa exponencialmente
acelerada expansión y esto durante un millonésimo de milmillonésima milmillonésima
milmillonésima fracción de segundo.
La
primera ventaja de los modelos inflacionarios: De un golpe se resuelven una
serie de problemas. El universo, que se forma de una fase inflacionaria como
esta, es euclidiano de una
manera totalmente natural. Mono polos magnéticos y otras
posibles partículas exóticas fueron tan dispersadas durante esta fase, de
manera, que no es de extrañar si no las encontramos en nuestros experimentos
aquí en la Tierra. Y puesto que al comienzo hubo una rápida expansión, el
universo en conexión debe expandirse en forma más lenta que en los modelos FLRW,
para crear las condiciones
actuales, en esta expansión más lenta, también los campos más alejados
de la radiación de fondo cósmico tiene tiempo para entrar en equilibrio.-
La
segunda ventaja de los modelos inflacionarios: Combinan la mecánica cuántica
con la cosmología.esto aún no es una teoría completa de la gravitación cuántica 1)
cómola quisieran tener los físicos, pero tiene una consecuencia interesante
(primera vez calculada por Mukhanov y Chibisov en base al modelo inflacionario
de Starobinski). Dicho en forma simple. En la teoría cuántica, un universo no puede
tener en todas partes una densidad constante. Si el universo tiene un evidente
valor de densidad, entonces no se puede determinar cómo varía la densidad – en especial
no se puede determinar, que no cambia. Pero si la densidad cambia, entonces el
universo no se mantiene inmutable. En la práctica esto se refleja en pequeñas fluctuaciones,
que finalizan como fluctuaciones de densidad en el universo. Pequeñas
diferencias de densidad de un lugar referente a otro. Algunas propiedades de
estas se dan directamente de su origen cuántico (y con esto como predicción de
los modelos inflacionarios.
Fluctuaciones
cómo estas son extremadamente importantes. Un universo perfectamente homogéneo
permanece siendo homogéneo. Recién con la fluctuación de la densidad llegamos a
un universo, en el cual la materia se aglomera con el tiempo bajo la influencia
de la gravitación, y formando sobre todo algo así como cúmulos de galaxia,
galaxias y estrellas.
La
desventaja de los modelos inflacionarios: Una amplia variedad de posibles modelos – existen muchas
posibilidades, de elegir las propiedades del campo que causan la inflación. La pregunta
es, si la suave transición de la fase inflacionaria
a la posterior fase expansiva realmente puede suceder. Y, por lo menos hasta
ahora, los pocos datos a partir de los cuales realmente se puede determinar, si
los modelos inflacionarios realmente son posibles, y en caso afirmativo, cuáles
de ellos y que es lo que revela sobre las propiedades del universo primigenio.
Fluctuaciones de la radiación de fondo
Ya hace
tiempo que sabemos que la radiación de fondo cósmica no es perfectamente
homogénea. El satélite COBE de la NASA ha mostrado estas fluctuaciones (La
figura es una proyección de un mapa celestial completo).
La
radiación de fondo es, cómo se ha dicho, una radiación térmica con una temperatura
característica. Estructuras azules y rr0ojas indican, como esta temperatura
varía en algunos cienmilésimas de grado, aquí algo más caliente, allá algo más
frío.
El
telescopio espacial WMAP de la NASA, especialmente
construido para este fin, pudo cartografiar esta fluctuaciones en forma más definida
(aquí la versión de 2011; cuadro: NASA / WMAP Science Team):
También
aquí las diferencias de colores muestran fluctuaciones de la temperatura.
En
marzo 2013, el satélite ESA Planck, publicó un mapa con fluctuaciones
notoriamente más detallado (Cuadro: ESA y la colaboración de Planck):
Estos
mapas muestran fluctuaciones en escalas de tamaños muy diferentes. En el mar se
puede observar un fenómeno parecido: Allí existen olas que en escalas en metros
son las más visibles, en lo pequeño
donde las fluctuaciones son a nivel de algunos centímetros, y las grandes
masas de las mareas altas y bajas.-
Análogamente
las aquí mostradas cartas también se pueden analizar a diferentes escalas – Los
grandes detalles, al comparar en grande las diferentes zonas del cielo, que,
por ejemplo, están separados en 90 0 180 grados, patrones más pequeños que solo
están separado en un par de grados, etc.
El
punto a destacarse es: Que el tamaño de los componentes de fluctuación para las
distintas escalas, contiene un enorme cantidad de informacipon sobre el universo
primigenio.- El contenido de la radiación y materia (oscura y otra) tiene un determinado
rol, y de esta manera es posible sacar conclusiones sobre la composición del
contenido de nuestro cosmos (y, un test de estos modelos, para compararlos con
mediciones independientes). Y de las fluctuaciones de la densidad se puede
concluir cómo se formaron – y si tienen propiedades, que desde la teoría de la inflación
derivan de sus fluctuaciones cuánticas.
Alguna
propiedades comunes – y con esto también indirectamente los modelos inflacionarios
– han confirmado la mediciones WMAP 2). Pero ahora se adiciona otro componente.
Fluctuaciones
gravitacionales
En
la actualidad los físicos no disponen de una teoría gravitacional cuántica
completa y consistente, que unificarían la teoría cuántica y la teoría general
de la relatividad. Pero de acuerdo de todo lo que sabemos de los áreas de
validez de ambas teorías, deberían jugar una gravitación cuántica como esta – y
propiedades cuánticas del campo gravitacional – ya deberían tener un rol, en el
muy temprano universo cerca de la fase inflacionaria.-
Como
ya se dijo: Hasta ahora nadie aun tiene una teoría de la gravitación cuántica
completa. Pero se puede esperar, salvarse en una situación cómo esta, con una
aproximación y limitarse, describir las propiedades gravitacionales de tal manera
cómo en lo modelos (no cuánticos) en base a la teoría general de la relatividad
– pero entonces aún sin agregar una desviación fluctuante a los cuales entonces
se les adjudica propiedades cuánticas.
Pequeñas desviaciones fluctuantes de un espacio-tiempo dado, en lqa teoría
general de la relatividad se llaman ondas gravitacionales 1).
Y justamente ondas gravitacionales primordiales cómo estas, deberían resultar
de las fluctuaciones gravitacionales cuánticas de la fase inflacionaria.
Ondas
gravitacionales cómo estas deberían propagarse entonces como pequeñísimas
alteraciones de la geometría espacio-tiempo después de la fase inflacionaria, y
esto incluso, cuando el universo haya alcanzado un estado, en el cual las propiedades
cuánticas ya no juegan un rol. Ellas se precipitan de manera muy parecida como las fluctuaciones
de densidad generada por la inflación,
en las fluctuaciones térmicas de la radiación cósmica de fondo.
El punto
es, que la influencia de las fluctuaciones de las ondas gravitacionales se
pueden diferenciar de la influencia de las originales fluctuaciones de densidad.
En este punto se pone más técnico que hasta ahora, tal vez sólo por el momento: En
esto juega un rol especial la polarización de la radiación de fondo y la menra
cómo varía de la dirección de observación
en dirección de observación.
Mediciones de polarización
El
satélite Planck ha realizado mediciones correspondientes, que deberían ser
publicados en un futuro próximo, como un mapa completo y detallado. Pero para
la evidencia de las huellas de las ondas gravitacionales originados en la
inflación, en realidad no se necesitan las cartas completas – ellas tienen lugar
a niveles de escalas, que son tan pequeñas, que incluso deberían ser comprobadas
en una región del cielo de diámetro de no
más que algunas decenas de grados.
Una
región celestial cómo esta midió el equipo de John Kovac del
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics durante los últimos tres años con un
telescopio no tan grande, con un diámetro de lente de 26 cm. El telescopio está
representado aquí.
El
texto “temperatura exterior -50 grados Celsius” muestra, que no se trata de una
lugar de observación normal. El álbum fotográfico del BICEP 2-Deployment muestra
más:
Se
trata de una estación de observación en el polo sur. El apantallamiento BICEP2
(ya anteriormente usado por el antecesor BICEP), se puede apreciara arriba a la
derecha del edificio de contenedortes azul (Cuadro: Harvard CMB Group; otras
imágenes ver aquí 2).
A
la izquierda se puede ver el South Pole Telescope 2),
que también observa la radiación cósmica de fondo.
El
telescopio mismo está totalmente encerrad en un criostato y para su operación es enfriado a 4 Kelvin, (o sea, 4 grados Celsius
sobre el cero absoluto).
Y
ahora hay resultados – no los primeros, aun poco seguros, sino resultados después
de tres años de investigación, durante los cuales, los científicos han realizado intensas
elucubraciones, si aquello que allí ven,
es realmente o no de origen cosmológico.
Los resultados de
esta tarde
El CfA había
anunciada una conferencia de prensa para hoy en la tarde; 15:45 hora nuestra.
Hasta ahora no me encontrado con alguien quien pudo haber visto el livestream;
pareciera que el webserver se cayó. Una
serie de entradas de blog 2)
y el artículo de prensa del Guardian han
incentivado notoruamente el interés en esto. En facebook, entre los astrónomos también
hubo mucha actividad, en twitter de seguro también.
Más
o menos es el aspecto de lo que vio BICEP2, procesado en:
Las
líneas negras indican las direcciones de la polarización, y la circunstancia,
que estas direcciones se enrollan alrededor de las manchas visibles, corresponde
a las huellas de aquellas fluctuaciones, que deberían remitirse a las ondas gravitacionales.
El
comunicado de prensa del CfA tiene cómo título "First Direct Evidence of Cosmic
Inflation" y, nosotros vivimos en la era de YouTube: El equipo de investigadores
no quiso dejar pasar la oportunidad, filmar a Andrej Linde, cuando sin previo
aviso le comunicaron los resultados:
El BICEP-FAQ 2)
responde algunas preguntas obvias: La polarización fue comprobada en exactamente
aquellas niveles de escalas, en las cuales se esperaba que se encontrarían las
huellas de las ondas gravitacionales causadas por la inflación, y esto con una
alta probabilidad (cinco Sigma, dicho de otra manera: La probabilidad que el patrón
observado fue causado casualmente, es de
1 a 1,7 millones). La comparación de mediciones a distintos largos de ondas de
la radiación y con modelos de la radiación polarizada, que es producido en
nuestra propia galaxia, hacen que sea poco probable, que en vez de huellas de ondas
gravitacionales se trata de un efecto de nuestra propia galaxia. El equipo de
BICEP también afirma, tener bajo control los efectos de interferencia de sus
instrumentos.
El
resultado ya sólo con respecto a un punto es sorprendente. La parte de las interferencias
de las ondas gravitacionales, en comparación a las normales fluctuaciones de
densidad, es notoriamente más grande de lo esperado. Esto hace concluir, que la
fase inflacionaria aconteció con energías que se diferencian, sólo por un factor cien de la tal llamada energía
de Planck, en la cual debería dominar el efecto gravitacional cuántico.
Antes
de que se dé un premio Nobel por este descubrimiento – lo que es muy plausible –
el comité de Estocolmo al igual que la
asociación de los astrónomos seguramente esperan las publicaciones de los resultados
de Planck. Allí aun existe una cierta tensión – el equipo Planck estimó de otra
manera indirectamente, cual es la parte de la participación de las
interferencia de las ondas gravitacionales, y llegaron a un valor que es sólo
la mitad que el valor al cual llegó ahora el BICEP2. Aquí pueden jugar un rol fluctuaciones
estadísticas, bien puede ser. que la dependencia del tamaño de la escala de la
potencia de las fluctuaciones es más complicada, de lop que se supone hasta ahora.
(Sean Carroll
2) tiene para esto una buena gráfica.)
En
total, un resultado muy interesante. Si se confirma entonces nos concede una
mirada directa a la física del universo unas milmillonésimas milmillonésimas
milmillonésimas milmillonésimas fracciones de un segundo después del Big-bang.
Este es un ámbito de energía, del cual hasta ahora no teníamos ningún dato –y que
nos posibilita poner en prueba los diferentes modelos inflacionarios y ojala también
diferentes candidatos a la teoría de la gravitación cuántica.
Anteriormente
se habían evidenciado indirectamente la ondas gravitacionales- para esto hubo un
premio Nobel 1993 2)
-, pero mientras aun está pendiente
prueba directa, las huellas de las ondas gravitacionales primordiales son un paso
importante en este sentido.-
Hasta
aquí mis – lo reconozco, algo aventuradas – valorizaciones. La emoción, de
seguro, seguirá por algún tiempo y seguramente causará algún movimiento en la
cosmología.
Nota:
1) Sólo
disponible en idioma alemán, 2) Sólo disponible en idioma inglés
Traducido
del alemán por A. Gundelach
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