26 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

No hay comentarios.: