Inflación Cosmológica, Ondas Gravitacionales Primordiales y Modos B

[AlbertR]

1. INTRODUCCION

Si la inflación cósmica existió, cuando finalizó, (justo antes del recalentamiento, o sea justo antes de la generación de las partículas elementales que han formado nuestro Universo actual), solo había dos interacciones relevantes en ese momento, la del propio campo inflatón y la gravitacional. Ambas dejaron su huella en la materia que se formó en el recalentamiento, las fluctuaciones cuánticas del inflatón (un campo escalar) generaron anisotropías en la densidad del universo de partículas que aparecieron en el recalentamiento, y las fluctuaciones de la gravedad, (un campo tensorial) ondas gravitacionales primordiales asociadas a estas últimas anisotropías.
Cuando 380.000 años después del fin de la inflación, los fotones se desacoplaron de la materia y empezaron a volar libres por el universo, (hasta ser detectados actualmente como fondo cósmico de microondas CMB), interaccionaron con esas anisotropías, que les dotaron de cierto grado de polarización.
Los residuos del campo inflatón (fluctuaciones escalares) produjeron en el CMB polarización en “Modo E” de los fotones, mientras que las fluctuaciones tensoriales de las ondas gravitacionales primordiales, produjeron polarización en “Modo B”
Buscar esta polarización en el CMB se convirtió por lo tanto en un importante objetivo para comprobar si se cumplen o no las previsiones del modelo inflacionario.
Imagen

 

Los modos E fueron detectado por el Degree Angular Scale Interferometer DASI  en 2002 y aunque son concordantes con la Inflación, no son exclusivos de ella.
Detectar los Modos B primordiales es mucho más difícil, pues son mucho más débiles, pero su detección sí representaría evidencia de la Inflación, pues no existe interpretación alternativa de su existencia que no sean las ondas gravitacionales generadas por la inflación.
Para complicar el tema, en su camino hasta nosotros los fotones del CMB han sufrido una polarización en Modo B secundaria originada por las microlentes gravitacionales, que hay que “restar” de los modos B primordiales. Estos modos B secundarios fueron detectados en 2013 por el Telescopio del Polo Sur (SPT) (Detection of B-mode Polarization in the Cosmic Microwave Background with Data from the South Pole Telescope)  y confirmados en 2014 por POLARBEAR: A Measurement of the Cosmic Microwave Background B-Mode Polarization Power Spectrum at Sub-Degree Scales with POLARBEAR

 

A partir de aquí, es conocida la historia de la detección fallida en 2014 de los modos B primordiales por parte de Bicep2  y la búsqueda actual de ellos por Bicep3. Es importante no solo detectar los modos B que probarían la inflación, sino también su magnitud, que se mide por el valor “r” que es el cociente entre la magnitud de B y la magnitud de los modos E. El valor de “r” permitiría discriminar entre diferentes tipos de inflación: los diferentes tipos de inflación se diferencian entre ellos por las diferentes expresiones que puede tener el potencial “V(X)” en función del campo inflatón “X”

2. LA NOTICIA DEL DIA

 

De momento ni rastro de los Modos B. Únicamente han conseguido determinar que si existen son muy pequeños. Se acaba de publicar un estudio conjunto de BICEP2/Keck con datos recogidos hasta 2015 (BK15) que concluye que el ratio r = Modos B / Modos E es r < 0.072 al 95% CL que combinado con resultados de Planck (BKP15) da r < 0.062 al 95% CL. Han combinado los datos BK15 de 17 años de observación a 150 GHz, con 4 años a 95 GHz y 2 años a 220 GHz, así como los datos de WMAP9 y Planck 2018 de 23 GHz y 353 GHz.

El estudio es: BICEP2 / Keck Array x: Constraints on Primordial Gravitational Waves using Planck, WMAP, and New BICEP2/Keck Observations through the 2015 Season
Ver también información adicional en: Searching for Primordial Gravitational Waves with the BICEP/Keck Telescopes

 

No hay que perder la esperanza, el observatorio BICEP3 empezó a tomar datos en Junio de 2015, es más sensible que BICEP2 y de momento no ha publicado resultados.

 

Aunque Francis Villatoro es pesimista y dice
"...hay pocas esperanzas de que BICEP3 (que toma datos desde 2016 con 2560 detectores a 95 GHz), e incluso el futuro BICEP Array (que se instalará en 2020) logren observar los modos B cosmológicos, ni siquiera con el apoyo de QUIJOTE y otros instrumentos similares. Habrá que esperar al megaproyecto CMB-S4 cuyos resultados llegarán a partir de 2025..." y también "...todo apunta a que habrá que esperar a telescopios espaciales específicos para lograr observar los modos B cosmológicos..."

 

El post de Francis sobre el tema es: Nuevo límite de exclusión de BICEP2/Keck para las ondas gravitacionales primordiales (r < 0.062 al 95% CL)

 

La confirmación definitiva de la Inflación Cosmológica tendrá que esperar de momento ... 

 

Saludos.
 

Editado 23 de Octubre del 2018 por AlbertR

[sfellero]

Qué interesante, desconocía completamentamente qué se estaba buscando exactamente con los BICEP.

 

Saludos.

[grbengo]

Hola AlbertR,

Súper interesante tu post con las novedades de BICEP/Keck.

Puesto que pareces interesado en estos asuntos, para los no entendidos del tema, permitime hacer unas pequeñas correcciones / comentarios aclaratorios de algunas cosas, ya que justo tiene que ver con el área en la que trabajo.

 

On 23/10/2018 at 11:29, AlbertR dijo:

solo había dos interacciones relevantes en ese momento, la del propio campo inflatón y la gravitacional. Ambas dejaron su huella en la materia que se formó en el recalentamiento, las fluctuaciones cuánticas del inflatón (un campo escalar) generaron anisotropías en la densidad del universo de partículas que aparecieron en el recalentamiento, y las fluctuaciones de la gravedad, (un campo tensorial) ondas gravitacionales primordiales asociadas a estas últimas anisotropías.

 

Los campos (todos) están siempre presentes. Lo que pensamos es que la energía del inflatón era la que dominaba sobre los otros en esa época. Las fluctuaciones cuánticas del inflatón son las que generan la perturbación en la curvatura. Las inhomogeneidades en la materia son un proceso posterior.

 

On 23/10/2018 at 11:29, AlbertR dijo:

Los residuos del campo inflatón (fluctuaciones escalares) produjeron en el CMB polarización en “Modo E” de los fotones, mientras que las fluctuaciones tensoriales de las ondas gravitacionales primordiales, produjeron polarización en “Modo B”

 

Hay una cuestión ahí... En realidad no son (citando) los "residuos" del inflatón los que producen Modo E de polarización. Las inhomogeneidades en la densidad de la radiación, si tienen cierta distribución, son las que generan polarización E al colisionar con los electrones libres en esa época de recombinación.

Por otro lado, yo no hablaría de "fluctuaciones de la gravedad". Todo aquí es gravedad. El campo gravitacional tiene perturbaciones escalares y tensoriales. Las perturbaciones tensoriales son las ondas gravitacionales. Esas perturbaciones tensoriales modifican la distribución de los fotones del CMB de tal manera que producen polarización del tipo B.

 

On 23/10/2018 at 11:29, AlbertR dijo:

Es importante no solo detectar los modos B que probarían la inflación, sino también su magnitud, que se mide por el valor “r” que es el cociente entre la magnitud de B y la magnitud de los modos E.

 

Sobre esto dos cosas: el parámetro "r" mide el cociente entre las perturbaciones tensoriales y las perturbaciones escalares a la curvatura. No es el cociente entre modos B y modos E.

Detectar los modos B daría un gran sustento a CIERTOS modelos de inflación. Pero su detección no implica (para ser estrictos científicamente) que inflación queda PROBADA. Siempre puede surgir algún modelo alternativo que explique los modos B y quizás sin inflación. Algunas personas trabajan intentando modelar el comienzo del universo sin inflación.

 

Abrazo!

Gabriel

 

 

 

[AlbertR]

Buenísima noticia: La Agencia Japonesa del Espacio (JAXA) ha aprobado como misión estratégica el telescopio espacial LiteBIRD, un telescopio espacial para intentar observar los modos B resultado de la inflación cósmica en la polarización del fondo cósmico de microondas CMB. Pretenden que el lanzamiento sea en 2027 hacia una órbita de halo alrededor de Lagrange L2 Sol-Tierra en donde permanecería observando durante 3 años.

 

Estoy contento porque estos japoneses de JAXA últimamente han demostrado ser muy buenos, recordad que "lo están petando" con la misión Hayabusa2. Espero que ahora tengan la misma suerte, la web del proyecto es LiteBIRD

Buena información y detalles técnicos, como siempre, en la web de Francis: JAXA ha aprobado la misión LiteBIRD para buscar modos B en la polarización del CMB o en la de Daniel Marín: LiteBIRD, un satélite japonés para estudiar el fondo cósmico de microondas

 

Lástima que estas misiones sean siempre tan complicadas, que se tardan muchos años desde la aprobación hasta el lanzamiento, y a los que nos quedan muy probablemente menos años de vida que los que ya tenemos, nos provoca un plus de ansiedad e impaciencia 

 

Saludos.

Editado 23 de Mayo del 2019 por AlbertR