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22-03-2014

GAFAS POLARIZADAS, MODOS B Y EL COMIENZO DEL UNIVERSO

En ocasiones el ser humano es capaz de lograr cosas increíbles. En ocasiones, cuando se fusionan el ingenio humano, la colaboración

y el esfuerzo colectivo, el conocimiento Físico-Matemático y la tecnología se pueden conseguir cosas tan grandes que uno se siente

inmensamente orgulloso de pertenecer a la raza humana y de vivir momentos tan apasionantes para la ciencia. El pasado Lunes

17-03-2014 fue uno de esos días en los que ese sentimiento de orgullo y de emoción se adueñó de todos los amantes de la ciencia.

Ese día el equipo científico del telescopio de microondas "BICEP2" instalado en el Polo Sur hizo público un descubrimiento que, de

confirmarse por el resto de proyectos científicos que estudian la polarización del fondo cósmico de microondas, marcaría un hito científico

de enormes consecuencias en Cosmología y con potencialmente grandes implicaciones en Física fundamental. Para entender como unos

diminutos seres que viven en un pequeño "pedrusco" que gira alrededor de una estrella común situada en un punto diminuto de una de los

cientos de miles de millones de galaxias que existen en nuestro Universo es capaz de detectar e interpretar las "huellas" de sucesos que

ocurrieron instantes infinitesimales después del instante 0 de la "creación" de nuestro Universo e incluso plantear modelos Físicos

empíricamente refutables sobre lo que sucedió en esos instantes hay que entender algo fundamental: Los fotones liberados como en un

inmenso "Flash" de una inmensa fotografía cósmica realizada cuando el Universo tenia solo 300.000 años nos están llegando ahora a la

Tierra en grandes cantidades y desde todos los sitios. Estos fotones tienen "codificada" en su polarización una información sobre sucesos

que ocurrieron mucho antes, en un tiempo tan inmensamente remoto como 10exp-35 segundos después de la creación de nuestro Universo.

A continuación se explican los detalles del descubrimiento presentado por el grupo de BICEP2 y por qué sus hallazgos, de confirmarse, son

de una importancia enorme para la ciencia.

El fondo cósmico de microondas (CMB)

Cuando el Universo se creó hace unos 13800 millones de años era enormemente denso y caliente. A medida que éste se expandía la temperatura

fue bajando rápidamente pero hasta que el Universo no tuvo 380.000 años de edad, la temperatura era tan alta que los electrones y las partículas

que forman los núcleos atómicos estaban separadas, sin formar átomos. Hasta entonces nuestro Universo era totalmente opaco a todo tipo de luz

ya que los fotones "rebotaban" contra los electrones libres y no podían escapar. Cuando un fotón choca contra un electrón es absorbido y reemitido

por él de forma que es desviado de su trayectoria, este fenómeno se llama efecto Compton. En el preciso instante en el que la temperatura bajó de

aproximadamente 3000ºK los electrones y los núcleos se unieron para formar átomos estables (la recombinación) lo que produjo que los fotones

pudieran escapar. En ese instante se produjo el inmenso "Flash" cósmico cuya luz se denomina fondo cósmico de microondas. Los fotones emitidos

en el CMB han viajado durante miles de millones de años a través del espacio-tiempo en expansión hasta llegar a nosotros. Esto ha provocado un gran

descenso de su temperatura desde 3000ºK hasta la temperatura de 2,7ºK a la cual nosotros los detectamos ahora. Esta radiación es extremadamente

isótropa y nos viene de todos los puntos del espacio con una intensidad que llega a los 0,1 miliergios por cm2 (suficiente para producir ruido en las

antenas de TV analógicas).

        Imagen del CMB del satélite Planck

La polarización de la luz

La luz está compuesta por fotones que son los cuantos del campo electromagnético. Usando términos de la teoría cuántica de campos podemos

decir que los fotones son las "vibraciones" del campo electromagnético. Como vimos en el artículo La derecha, la izquierda y el verdadero origen

de la masa, las partículas que componen la materia, llamadas fermiones son partículas de spin semientero y se se puede decir que tienen 3 grados

de libertad. Por el contrario, las partículas que forman las fuerzas fundamentales tienen spin entero y como vimos en el artículo arriba, abajo y el

origen de la falta de masa, los fotones, que tienen spin 1, tienen 2 grados de libertad. Esto se traduce en que están formadas por 2 componentes:

E y B (campo eléctrico y campo magnético):

Como sabemos, el campo electromagnético cumple las 4 ecuaciones de Maxwell que nos dan la relación entre E y B:

O equivalentemente:

De estas ecuaciones deducimos las siguientes propiedades entre E y B: E y B "vibran" siempre en direcciones ortogonales, E tiene

divergencia no nula, lo que quiere decir que tiene fuentes y sumideros (las lineas de fuerza empiezan y acaban en una carga eléctrica)

mientras que B tiene divergencia nula, lo que quiere decir que no tiene fuentes ni sumideros y las lineas de fuerza empiezan y acaban

en un mismo sitio (los polos norte y sur no pueden existir separados). Por otro lado el rotacional de E es nulo (para campos

estacionarios) mientras que B tiene un rotacional no nulo.

Para analizar la polarización de la luz, por convención, se toma como referencia el campo eléctrico E ignorando el campo magnético B,

ya que como E y B son siempre ortogonales es muy sencillo obtener B a partir de E (ambos son realmente 2 manifestaciones del mismo

fenómeno) así que de ahora en adelante, cuando hablemos de polarización nos referimos siempre a la componente E del campo electro-

magnético.

La luz que nos llega del sol no está polarizada, es decir, sus componentes no vibran en una única dirección del espacio sino que lo hacen

en todas las direcciones posibles. Conseguir luz polarizada es bastante sencillo, basta con poner un filtro adecuado que solo deje pasar

la luz que vibra en la dirección que nosotros queremos. Existen 3 clases principales de luz polarizada: lineal (se puede proyectar la

vibración de la luz en una única recta del plano), circular (la proyección forma un círculo) y elíptica (la proyección forma una elipse).

                                                                  

                  Luz no polarizada                 Polarizacion Lineal                      Polarización Circular                  Polarización Elíptica

Cuando la luz se refleja en un objeto brillante trasparente, parte de la luz es reflejada y parte es refractada. La luz reflejada en un

ángulo de 90º tiene mayor intensidad y esta totalmente polarizada. Las gafas de sol polarizadas aprovechan este fenómeno para

eliminar los molestos y deslumbrantes reflejos procedentes del mar o de espejos al incluir un filtro de 90º que elimina está luz polarizada.

La inflación, las ondas gravitatorias y los modos B

El modelo cosmológico estándar constituye nuestra mejor teoría científica para explicar la evolución del Universo. Este modelo

recoge un proceso extraordinario que sucedió cuando el Universo tenía solo 10exp-35 segundos de edad, en ese momento

la expansión del Universo se aceleró de una forma brutal. En este proceso el tamaño del Universo pasó de un tamaño

prácticamente infinitesimal a un tamaño de aproximadamente una esfera de 1 metro de radio en un tiempo muy pequeño.

Este proceso se denomina inflación cósmica y explica numerosas características de nuestro Universo: la enorme isotropía de la

radiación del CMB, por qué el Universo es prácticamente plano, las anisotropías del CMB y su distribución Gausiana, el problema

del horizonte y la ausencia de monopolos magnéticos.

Durante este brutal periodo de expansión, las pequeñas fluctuaciones cuánticas que existiesen en el inmensamente caliente Universo

justo antes de la inflación fueron enormemente amplificadas. Entre estas fluctuaciones destacan las fluctuaciones térmicas que originan

las anisotropias del CMB y las fluctuaciones gravitatorias que produjeron ondas gravitatorias durante la inflación.

El cuanto del campo gravitatorio es el gravitón que es una partícula de spin 2. El gravitón tiene dos modos de polarización, de forma

que su vibración produce primero una compresión espacial a lo largo del eje X dirigida hacia el centro y posteriormente una

compresión hacia el centro del eje Y:

                 

 Modo 1: Compresión espacial de las ondas gravitatorias eje X                        Modo 2:   Compresión espacial de las ondas gravitatorias eje Y                  

Este patrón de presión-descompresión del espacio-tiempo producido por las ondas gravitatorias y amplificado en el proceso de la

inflación produjo que los fotones, que evidentemente se propagan a través del espacio-tiempo, sufriesen también ese patrón de fuerzas.

Esto modificó la vibración de la luz ya que el espacio-tiempo en el que vibran los fotones fue alterado por las ondas gravitatorias de la

forma que hemos indicado. La consecuencia de esto es que la polarización de los fotones fue modificada de una forma muy específica,

según un patrón y una quiralidad (sentido de giro) determinada (1) y ésta modificación quedó "impresa" en los fotones del CMB justo

antes de la recombinación.

Por supuesto, no solo las ondas gravitatorias son capaces de polarizar los fotones, las mismas fluctuaciones de densidad que crearon las

pequeñas anisotropias en la temperatura del CMB pueden producir una polarización en los fotones. El punto clave es que estas variaciones

de densidad y otros fenómenos que pueden influir en la polarización de los fotones son producidos por campos escalares con rotacional

nulo y sin sentido de giro que producen, al ser analizados, patrones de polarización cerrados y simétricos llamados modos E (porque son

similares al campo eléctrico). De forma opuesta, las ondas gravitatorias, producen en los fotones polarizaciones producidas por campos

vectoriales (tensoriales),con rotacional no nulo y con sentido de giro que producen patrones de polarización cerrados sin simetría especular

llamados modos B (similares al campo magnético). Por tanto, los modos B ¡ solo pueden ser producidos por las ondas gravitatorias

creadas durante la inflación ! (2).

¡ Los modos B son la huella que las ondas gravitatorias producidas durante la inflación y que han permanecido inalteradas hasta la

recombinación han dejado en los fotones del CMB. Los fotones del CMB han llegado hasta nuestros días y su polarización nos

permite estudiar procesos que ocurrieron 10exp-35 segundos después de la creación del Universo!

Las consecuencias del descubrimiento

Si este resultado del equipo de BICEP2 se confirma por el satélite Planck y por los otros experimentos el hallazgo tendría grandes

consecuencias en Cosmología y podría tener importantes implicaciones en Física. Las consecuencias más importantes serían:

- La confirmación de la existencia de la inflación cósmica: Este hecho, además de confirmar nuestros modelos cosmológicos podría suponer

un enorme cambio conceptual ya que supondría que probablemente nuestro Universo es solo uno más dentro de un multiverso inflacionario.

- Distinguir entre las diversas teorías inflacionarias.

- La confirmación de la existencia de ondas gravitatorias, aunque ya existían pruebas indirectas esta sería otra prueba clara de su existencia.

- La amplitud de los modos B está directamente relacionada con la energía a la que ocurrió la inflación. Los hallazgos de Bicep2 nos permitirán

conocer algunos datos sobre lo que ocurrió a escalas de energía ¡1 billón de veces superiores a la que puede alcanzar el LHC !

- El estudio de los modos B primordiales podría aportarnos algunos datos que pudieran ser relevantes en nuestras teorías de gravedad cuántica

como la teoría de cuerdas ya que esta polarización es consecuencia directamente de las fluctuaciones cuánticas de los 2 modos de polarización

del gravitón.

Para dentro de pocos meses se espera que el grupo científico del satélite Planck presente sus resultados sobre la polarización del CMB, sus

resultados serán fundamentales para confirmar o refutar los resultados de Bicep2, pero muy pocos Físicos dudan de que incluso aunque sus

resultados sean diferentes, confirmen la existencia de los valiosos modos B primigenios.

Por todo esto, el descubrimiento del pasado día 17 de Marzo puede marcar una nueva y apasionante etapa para la Física y la Cosmología.

 

Notas:

(1) No todos los fotones del CMB están polarizados, se estima que solo un bajo porcentaje lo están pero esto no influye en

nada de lo que en este artículo se explica.

(2) Existe otra posible fuente de producción de modos B: las lentes gravitatorias, sin embargo, el equipo de Bicep2 ha descartado este origen

al aplicar métodos que permiten distinguir entre ambos orígenes.

 

Fuentes: CMB polarization, Bicep2: primordial gravitational waves, Gravitational waves in the CMB, Gravitational wave

 

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Autor: IIII
3/22/2014
IIII