El título no es muy atractivo, pero su significado es muy profundo. Los medios hablan de CMB, polarización, ondas gravitacionales, inflación, modos B… son varios conceptos bastante técnicos y aunque ya hay muchos artículos sobre este tema, intentaré mostrar algunos detalles para dimensionar la importancia del descubrimiento anunciado esta mañana.

Hace un año el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea anunció sus esperados resultados de la medición de la radiación cósmica de microondas (CMB), ese llamado ruido de fondo que llena todo el Universo y es a veces también llamado el eco del Big Bang (aunque nada tiene que ver sonido). Los resultados de Planck mostraron una precisión espectacular en las mediciones del CMB y un casi perfecto acuerdo con la teoría del Big Bang. Uno de los resultados que no fue anunciado fue la esperada medición de la polarización del CMB, una propiedad muy importante y que la colaboración Planck presentará a mediados de 2014. Habría que es esperar para conocer los resultados de esa medición, sin embargo Planck no es el único experimento observando el CMB. Aunque es el más moderno telescopio de microondas en el espacio, existen varios telescopios de este tipo en la Tierra. Uno de ellos llamado BICEP2 ha estado en boca de todos desde el viernes cuando se propagó el rumor que sus resultados serían anunciados en una conferencia de prensa en el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Para comprender el significado de este histórico descubrimiento intentaré explicar un par de conceptos relevantes. Explicar el Higgs es fácil comparado con esto, lamentablemente el nivel de complejidad es elevado, pero trataré de usar un par de analogías para dimensionar lo espectacular de este descubrimiento.

CMB

El Big Bang (gran explosión) es la teoría aceptada sobre el Universo temprano, es consistente con 50 años de mediciones. Contrario a lo que se cree, la teoría del Big Bang no describe el nacimiento del Universo, sino que indica qué ocurrió momentos después de su nacimiento, es decir, aunque suene contradictorio esta es en realidad una teoría sobre las consecuencias del Big Bang sin explicar el Bang del Big Bang. Esta teoría señala que al principio el Universo era muy caliente y comenzó a enfriarse debido a su expansión. Cuando las temperaturas eran muy altas (sobre 1010 Kelvin), no existía la materia neutra sino que una sopa de partículas con carga eléctrica positiva y negativa (aunque la carga eléctrica total era cero), un plasma. En este plasma, los encuentros entre materia y antimateria producían su aniquilación emitiendo fotones, los que a su vez creaban más pares de partículas-antipartícula. Por esto los fotones no se propagaban mucho antes de interaccionar de alguna manera en este plasma. Al bajar la temperatura a unos 109 Kelvin, cuando el Universo tenía unos 3 minutos, protones y neutrones se unieron formando los primeros núcleos atómicos, sin embargo los electrones todavía se movían libremente. Al bajar aún más la temperatura, los núcleos atómicos (positivos) y electrones (negativos) formaron los primeros átomos, con esto la sopa de partículas pasó de ser un plasma a ser neutra. Con esto, los fotones puedieron al fin moverse libremente, este período se llama recombinación y ocurrió cuando el universo tenía unos 380.000 años. Los fotones que existían durante la recombinación se han propagado durante 13.700 millones de años, llenando cada ricón del Universo y hoy se observan como fotones de baja energía (microondas) llamado CMB (sigla en inglés de Cosmic Microwave Background o radiación de fondo de microondas). Hace un tiempo discutimos su significado e importancia en el blog: ¿Qué es la radiación de fondo de microondas?

El CMB contiene mucha información sobre los primeros momentos después del Big Bang, lo difícil es extraer esta información. Las microondas del CMB pueden ser fácilmente estudiadas usando telescopios espaciales como lo han hecho COBE, WMAP y Planck. El alto costo y el corto tiempo de vida de estas misiones espaciales motiva el hacer las mediciones desde la Tierra, pero lamentablemente las moléculas de agua en nuestra atmósfera dificultan el estudio de las microondas del CMB desde la Tierra. Las microondas son absorbidas por moléculas de agua, esto es excelente para diseñar un horno para calentar comida pero es pésimo para los cosmólogos que intentan estudiar el CMB desde la Tierra. Por este motivo, estudios de CMB con telescopios terrestres sólo pueden realizarse desde los lugares más secos del mundo. Los telescopios de microondas más importantes están en el Desierto de Atacama (en el norte de Chile) y en el Polo Sur.

Estos telescopios terrestres tienen mayor resolución (pueden ver detalles más finos) que sus competidores en el espacio, sin embargo sólo pueden observar ciertas regiones del cielo, por lo que telescopios de microondas en el espacio y en la Tierra se complementan en sus mediciones.

Aunque el CMB fue emitido cuando el Universo tenía 380.000 años, contiene varias huellas de cómo el Universo se comportaba mucho antes de eso. De la misma forma que el mal sabor o textura de un pastel recién horneado puede indicar que modificamos la receta perfecta, cosmólogos indagan en el CMB en busca de imperfecciones para tratar de comprender cuál fue la receta que dio origen al Universo. Uno de los métodos más poderosos es el estudio de la polarización del CMB.

Luz y polarización

La luz (fotones) es una vibración de campos eléctricos (rojo) y magnéticos (azul) que se propaga como muestra la animación (notar que en cada punto el campo sólo oscila de un lado para el otro):

Por definición, la polarización de una onda electromagnética (fotón) es la dirección de vibración de su campo eléctrico (dirección de oscilación de la flecha roja). En general, si observamos muchos fotones veremos que la polarización de cada fotón apunta en direcciones aleatorias, en cuyo caso la suma de todas las polarizaciones de cada fotón es cero y decimos que la luz es no polarizada. Al contrario, si por algún motivo hay más fotones con su polarización en determinada dirección, al sumarlos no obtendremos cero, habrá un remanente en cierta dirección y decimos que la luz está polarizada. La luz puede polarizarse al hacerse pasar por un filtro que sólo deja pasar fotones con cierta polarización

Este tipo de filtros se usan en nuestros anteojos de sol, así llega menos luz a nuestros ojos porque es filtrada por el polarizador, sólo vemos luz polarizada y podemos disfrutar de un día soleado.

Polarización del CMB

La luz del CMB (los fotones que miden los telescopios de microondas) está levemente polarizada, es decir, la polarización de los fotones del CMB no está orientada aleatoriamente, es como si hubiesen pasado por un filtro polarizador. Existen varios fenómenos que pueden actuar como filtro y polarizar la luz del CMB, por lo que estudiar sus detalles nos permite conocer el rol de estos fenómenos en el Universo temprano. Personalmente me gusta visualizarlo así: el descubrimiento del CMB, en 1964, es equivalente a encontrar el fósil más antiguo posible; estudiar la polarización del CMB es equivalente a estudiar rastros de ADN en este fósil. Para estudiar la polarización del CMB los cosmólogos usan complejas técnicas. Así como la luz se descompone en los colores del arco íris al pasar por un prisma y podemos clasificarlos en colores primarios y secundarios, la luz polarizada del CMB puede descomponerse y clasificarse en dos tipos que los físicos llaman modos E y modos B. Los nombres guardan relación con bellas y complejas propiedas matemáticas que no vale la pena mencionar.

Inflación y modos B

Como decía al principio, a pesar de su nombre la teoría del Big Bang sólo nos permite comprender las consecuencias del bang pero no explica por qué el espaciotiempo se expande. Además en su forma original esta teoría deja bastante dudas sin respuesta, una de ellas es la uniformidad del CMB, la imagen del Planck más arriba muestra pequeñas desviaciones (colores) de sólo millonésimas de grado, ¿cómo es que un Universo tan grande tiene casi la misma temperatura en todos lados? (hay otras preguntas similares pero que son más técnicas por lo que las omitiré). En 1979, Alan Guth era investigador postdoctoral (con pocas espectativas de encontrar otro trabajo). Estaba estudiando un problema en física de partículas, para lo que planteó que el universo experimentaría una fase de superenfriamiento. Ajeno a la cosmología, a fines de noviembre escuchó por primera vez cómo los cosmólogos trataban de entender los varios problemas de la teoría del Big Bang y se cuestionó si su idea podría relacionarse de alguna manera. La respuesta no sólo fue afirmativa sino que revolucionaria: SPECTACULAR REALIZATION escribió en sus apuntes cuando verificó que su idea no sólo resolvía el simple problema que estudiaba sino que también resolvía los problemas de la teoría del Big Bang. La idea de Guth recibió el nombre de Inflación, y propone que cuando el Universo tenía 10-35 segundos (algo más de una millonésima de trillonésima de trillonésima de segundo) el Universo era mucho más pequeño de lo que la teoría del Big Bang señala, por eso todo el Universo (muy pequeño según Guth) tendría la misma temperatura, en ese momento el Universo experimentó una expansión exponencial (de aquí el nombre inflación), creciendo de manera violenta pero simétrica, preservando todas las propiedades (homogeneidad) del Universo cuando era más pequeño, así como también amplificando cada pequeño defecto presente antes de la inflación. Cuando la era inflacionaria termina, se recupera el Universo más grande de la teoría de Big Bang convencional.

La inflación resuelve los problemas de la teoría del Big Bang pero también hace ciertas predicciones. El culpable de esta inflación es un campo escalar (parecido al Higgs) el cual se desconoce totalmente, se le llama campo inflatón. Cuando la inflación termina, el campo inflatón se transforma en toda la materia y radiación en el Universo. De la misma forma que cuando se nos cae al piso la tapa de una olla y da unas vueltas haciendo ese molesto ruido, al final de la inflación el plasma de partículas recién creadas es perturbado por oscilaciones de los campos cuánticos: el inflatón y campo gravitacional. Las oscilaciones producidas por el campo inflatón son llamadas fluctuaciones escalares, las cuales han sido confirmadas en mediciones del CMB. Las oscilaciones producidas por el campo gravitacional (también llamadas ondas gravitacionales primordiales) se denominan fluctuaciones tensoriales.

¿Cómo se relaciona todo esto con la polarización del CMB? Resulta que la descomposición de la polarización en modos E y B es muy útil porque las fluctuaciones escalares (inflatón) dejan una huella en el CMB en la forma de modos E, mientras que fluctuaciones tensoriales (ondas gravitacionales primordiales) dejan una huella en el CMB en la forma de modos B. Es por esto que hace años se espera medir lo modos B en la polarización del CMB, ya que permitiría verificar las fluctuaciones del espaciotiempo (ondas gravitacionales) en el joven universo, como predice la inflación.

Es importante notar que la teoría inflacionaria se atribuye a Alan Guth (enviada a Physical Review D en 1980), sin embargo Alexei Starobinsky había publicado una idea similar en la revista soviética Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters en 1979. Esto es bastante común, así como la teoría detrás del bosón de Higgs involucra a varios otros autores. Además en su forma original, la inflación tenía ciertos problemas que fueron solucionados con una versión modificada llamada Nueva Inflación propuesta Andrei Linde (Physics Letters B, en 1982) y Andreas Albrecht y Paul Steinhardt (Physical Review Letters, 1982). Estos nombres suenan como candidatos al Premio Nobel si la inflación se confirma. Tal como ocurrió con el Higgs, más de tres nombres causarán dolores de cabeza al comité Nobel.

El descubrimiento de BICEP2

Ahora que sabemos qué es el CMB, qué es la polarización, qué es la inflación y cómo se relaciona con los llamado modos B podemos resumir el anuncio de hoy: el telescopio BICEP2 ha observado modos B en la polarización del CMB.

BICEP2 se adelantó a Planck, que anunciará sus resultados a mediados de 2014 y se espera que otros telescopios confirmen la observación. Afortunadamente hay varios otros telescopios realizando estas mediciones por lo que se espera que la verificación llegue pronto. La medida del efecto de los modos B debido a ondas gravitacionales primordiales es un número llamado parámetro r. Si r=0 significa que no se observan estas ondas gravitacionales. BICEP2 ha medido r=0.2, excluyendo la ausencia de estas ondas gravitacionales (r=0) con una significancia de 7σ. El video a continuación muestra a un asombrado Andrei Linde cuando le informan el descubrimiento (video tiene subtítulos):

Es importante insistir que si bien la observación de los modos B implica una verificación de las ondas gravitacionales primordiales, el verdadero impacto de este descubrimiento es la evidencia a favor de la inflación. Además este resultado muestra detalles finos de una era en la que efectos de la relatividad general eran tan importantes como los fenómenos cuánticos, nada trivial. Hoy BICEP2 nos ha deleitado con sólidos resultados experimentales que sugieren que tenemos una enorme comprensión acerca de los primeros instantes de nuestro Universo. La inflación es a veces denominada la teoría de la explosión de la gran explosión porque explica cómo el Universo comenzó su expansión. BICEP2 ha escudriñado el ADN de este fósil (la polarización del CMB), ahora hay que estar atentos a los resultados de los otros telescopios de microondas. Ha sido un día histórico para la cosmología.

Este artículo pudo resultar algo extenso e incluye muchos conceptos algo técnicos, pero explicar las propiedades de la polarización del CMB no es tan fácil como explicar qué es el bosón de Higgs.

Aclaraciones

Muchos medios hablan del descubrimiento de ondas gravitacionales e inflación, sin embargo hay que ser cuidadosos con el lenguaje. A continuación respuestas a un par de preguntas:

¿Se ha encontrado evidencia del Big Bang?

Evidencia a favor de la teoría del Big Bang se conoce hace 50 años. Una y otra vez, todos los resultados experimentales apoyan esta teoría. Sí, este resultado también apoya el Big Bang pero el nuevo descubrimiento va mucho más allá de evidencia del Big Bang.

¿Se han detectado ondas gravitacionales?

No, sólo se han observado las huellas de ondas gravitacionales en el CMB en la forma de modos B (detección indirecta). De la misma forma que encontrarse huellas de puma en la nieve no significa haber encontrado el puma. Esto no le quita relevancia al descubrimiento, al contrario, encontrar las huellas de este puma (si se confirma) es un descubrimiento sensacional.

¿Se confirma la predicción de Einstein de las ondas gravitacionales?

No exactamente. Como decía en la respuesta anterior, no hemos detectado directamente las ondas gravitacionales. Los físicos llaman una detección directa a aquella que pueda medirse en los observatorios de ondas gravitacionales como LIGO. Verificación indirecta de la existencia de las ondas gravitacionales se conoce hace décadas, incluso el Premio Nobel de 1993 fue entregado por esto. Ver este post para los detalles.

¿Se ha verificado la inflación cósmica?

No, validar o refutar una teoría es más complejo que eso. Además no existe una teoría sino que una familia de modelos basados en la idea original de Guth y Linde. Por ahora podemos decir que tenemos prueba directa de que algo muy parecido a la inflación ocurrió en el joven Universo y es evidencia muy sólida (que deben confirmar otros experimentos). Esto pone a Guth y probablemente a Linde como candidatos fuertes a un futuro Nobel. Determinar cuál modelo inflacionario es correcto requirirá datos más refinados.

¿Existe la posibilidad de que el resultado de hoy sea incorrecto?

Por supuesto. En ciencia no hay verdades absolutas; además siempre hay espacio para un mejor resultado. Es poco probable que el resultado de BICEP2 esté completamente incorrecto porque los equipos experimentales son muy cuidadosos y antes de anunciar un resultado tan importante se realizan muchas revisiones internas, muchas veces más rigurosas que el peer review de una revista especializada, sin embargo siempre es necesaria una verificación independiente. Recomiendo el artículo Un poco de sal a la observación de BICEP2 de Francisco Villatoro, donde ejemplifica algunos detalles que incomodan a algunos. Es muy sano dudar y en física la evidencia experimental siempre tiene la palabra final, hay varios experimentos independientes que pronto anunciarán sus resultados que permitirán comparar.

Completaré con más preguntas, invito a dejarlas en los comentarios.

Actualización: Modos B observados por BICEP2 podrían ser sólo polvo (22 Sep. 2014)

Actualización: BICEP2+Planck: no hay evidencia de ondas gravitatorias primordiales (todavía) (30 Ene. 2015)

También recomiendo leer:

– Primera evidencia directa de la inflación cósmica, Cosmonoticias

– El universo saca Bicep2, Cuentos Cuánticos

– Primera prueba directa de la Inflación Cósmica, Laura Morrón

– BICEP2 obtiene la primera prueba directa de la inflación cósmica, Francisco Villatoro

Imágenes: BICEP2, Planck, Universiteit Leiden.