Planck: las ondas gravitacionales primordiales permanecen ocultas

A través del estudio conjunto entre el satélite europeo Planck y el telescopio BICEP2 en una región limitada del cielo, se concluye que la reciente detección de los modos B de la polarización del fondo cósmico de microondas no se debe a las ondas gravitacionales primordiales producidas en los primeros instantes del universo, como el equipo de BICEP2 había sugerido, si no a la emisión del polvo interestelar de nuestra galaxia. En marzo pasado el equipo del experimento BICEP2 liderado desde EEUU y situado en el Polo Sur anunció el descubrimiento que ahora se desmiente. En este análisis participan los investigadores del grupo de Cosmología Observacional e Instrumentación del IFCA.

Santander, 31 de enero de 2015.-A pesar del anuncio de su detección con una fuerte repercusión mediática, un análisis combinado de los datos obtenidos por el satélite Planck de la ESA, y los experimentos BICEP2 y Keck, ambos ubicados en el Polo Sur y liderados por un equipo estadounidense, no ha encontrado evidencias de los modos B producidos por ondas gravitacionales primordiales. En este análisis participan los investigadores del grupo de Cosmología Observacional e Instrumentación del IFCA, como miembros de la misión Planck.

 

El fondo cósmico del Universo y las ondas gravitacionales primordiales

El inicio del Universo data de 13800 millones de años. Desde entonces, éste ha evolucionado desde su estado primordial, caliente, denso y uniforme, hasta convertirse en el Cosmos, tal y como lo conocemos hoy en día, repleto de galaxias, estrellas y planetas.

El Fondo Cósmico de Microondas (CMB de sus siglas en inglés), o la luz emitida sólo 380000 años después de que se produjera el Big Bang, nos da información de primera mano sobre la historia y evolución del Universo. Fue observado por el satélite Planck de la ESA en todo el cielo con una precisión sin precedencia.

Sin embargo, los astrónomos continúan con su empeño por conocer. Así, se convierte en propósito primordial la búsqueda de la huella de la inflación cósmica, o la rápida expansión acelerada que, de acuerdo con la teoría actual, experimentó el Universo en sus inicios. Para ello, las ondas gravitacionales primordiales, o arrugas espacio-temporales muy pequeñas, se convierten en elementos claves. Así, éstas se habrían generado durante la fase inflacionaria dejando una huella que podría detectarse actualmente.

Curiosamente, estas perturbaciones dejan una marca en otra de las características fundamentales del fondo cósmico: su polarización. Se dice que la luz está polarizada cuando las ondas de luz vibran preferentemente en una dirección determinada.

El CMB está polarizado, generando patrones complejos en el cielo. Esto surge de la combinación de dos patrones básicos los modos E y B. A su vez, diferentes fenómenos en el Universo producen modos E o B a varias escalas angulares. Identificar las distintas contribuciones requiere mediciones extremadamente precisas. Mientras que el modo E nos revela procesos que sucedieron en el momento en que se originó el CMB, el modo-B de polarización es el que contiene información muy valiosa sobre lo que aconteció en la muy temprana fase inflacionaria del universo.

"La búsqueda de este registro único del universo primitivo es tan difícil como emocionante, ya que esta señal sutil se oculta en la polarización del CMB, que a su vez sólo representa un pequeño porcentaje de la luz total”, esclarece Jan Tauber , científico del proyecto de la ESA para Planck .

Pero el equipo Planck no está solo en este estudio. A principios de 2014, otro conjunto de astrónomos que recogen datos mediante el telescopio BICEP2, situado en el Polo Sur, presentó sus resultados. Estos se basaron en las observaciones de la polarización del CMB realizadas entre 2010 y 2012 de una pequeña parte del cielo. El equipo también usó los datos preliminares de otro experimento en el Polo Sur, el telescopio Keck.

Encontraron algo nuevo: modos B en la polarización observada sobre un sector del cielo del orden de varias veces el tamaño de la Luna llena. El equipo BICEP2 presentó pruebas que avalaban señales originadas por las ondas gravitatorias primordiales, lo que tuvo un enorme eco tanto en la comunidad científica como en el público en general .

Sin embargo, hay otro agente que puede producir un efecto similar: el polvo interestelar de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

 

Polvo intelestelar

La Vía Láctea está impregnada de una mezcla de gas y polvo que brilla a frecuencias similares a las del CMB. Dicha mezcla intercede en la observación de la luz cósmica más antigua. Por ello, es fundamental realizar un análisis minucioso que permita diferenciarla con claridad el fondo cósmico. Además, estepolvo interestelar emite luz polarizada, que también contamina la polarización del CMB.

“Cuando detectamos por primera vez esta señal, recurrimos a losmodelos que explican y tienen en cuenta la emisión de polvo galáctico ", explica John Kovac, investigador principal de BICEP2 de la Universidad de Harvard, en EE.UU. El equipo BICEP2 había elegido una zona en la cual creían que la emisión de polvo sería baja. Por lo tanto, con cierta probabilidad podría ser posible detectar la señal cosmología. No obstante, los dos experimentos iniciales recogían datos en una única frecuencia de onda, dificultando la posibilidad de separar la procedencia de las emisiones.

Por su parte, Planck observó el cielo en nueve canales de frecuencia, en el rango de microondas y submilimétrico, siete de los cuales también estaban a su vez equipados con detectores especialmente sensibles a la polarización. Mediante un análisis detallado, estos datos multifrecuenciales se pueden usar para analizar las diferentes contribuciones y procedencias.

De esta manera, al utilizar los mapas de Planck, se comprobó que la contribución procedente de la emisión de polvo, que en principio consideraban baja, podría ser mucho mayor de lo esperado. De hecho, el pasado mes de septiembre de 2014, Planck reveló por primera vez que la emisión polarizada del polvo estaba presente en todo el cielo, y era comparable a la señal detectada por BICEP2 incluso en las regiones que se consideraban más limpias.

Con el objetivo de obtener una respuesta a esta cuestión, los equipos Planck y BICEP2 se unieron. De esta manera, combinaban la capacidad de Planck para observar el cielo en varios canales de frecuencia - incluyendo aquellos en los que la emisión de polvo es más fuerte – con los datos más sensibles de BICEP2 pero sólo en la frecuencia de 150 GHz. Para entonces, los datos recogidos por Keck estaban también disponibles a esa misma frecuencia.

“Una vez que se sustrae la emisión del polvo galáctico, se ha demostrado que la detección de modos B primordiales no parece robusta. En consecuencia, no podemos confirmar que la señal sea una huella de la inflación cósmica", esclarece Jean-Loup Puget, investigador principal de la misión Planck del Institut d'Astrophysique Spatiale en Orsay, Francia .

A pesar de ello, en esa misma región del cielo, se ha observado un exceso de modos B en escalas angulares más pequeñas que las correspondientes a la señal primordial. Esta señal, descubierta por primera vez en 2013, no es una prueba directa de la fase inflacionaria, sino que es inducida por la red cósmica de estructuras masivas que pueblan el Universo y cambian la trayectoria de los fotones del CMB. Este efecto se conoce con el nombre de “lente gravitacional” ya que es producido por objetos masivos que curvan el espacio y desvían la trayectoria de la luz de manera similar a como lo hace una lente óptica.

"Las ondas gravitacionales primordiales podrían dar cuenta, como mucho, de la mitad de la señal de modos B observada en nuestro estudio anterior " explica Clem Pryke, uno de los investigadores principales de BICEP2 en la Universidad de Minnesota (EE.UU). Por su parte, Brenda Crill, miembro destacado de los equipos Planck y BICEP2 del Jet Propulsion Laboratory de la NASA indica que  “las ondas gravitacionales podrían todavía permanecer escondidas en los datos”

 

Planck

El observatorio espacial Planck, lanzado en el año 2009, fue diseñado para estudiar el firmamento en nueve frecuencias utilizando dos instrumentos de última tecnología: el Instrumento de Baja Frecuencia, LFI, que cubre tres bandas en el rango de los 30-70 GHz, y el Instrumento de Alta Energía, HFI, que cubre seis bandas en el rango de los 100-857 GHz. HFI completó sus observaciones en enero de 2012, y LFI continuó su misión científica hasta el día 3 de octubre de 2013. El satélite fue apagado de forma definitiva el 19 de octubre de ese mismo año. 

 

Cosmología Observacional e Instrumentación en el IFCA

El grupo de Cosmología Observacional e Instrumentación participa activamente en la misión Planck de la ESA. También participa en el experimento QUIJOTE, situado en el Observatorio del Teide en Tenerife para el estudio de la polarización del CMB en las frecuencias de microondas más bajas. Este equipo, junto a otro perteneciente al Departamento de Ingeniería de Comunicaciones de la UC, trabajó en el diseño, desarrollo y calibración del Instrumento de Baja Frecuencia (LFI, Low Frecuency Instrument) de Planck, constituido por 22 receptores.  Además, el IFCA participa de forma muy activa en la fase de explotación científica de los datos. Con ambos experimentos se espera conseguir un avance significativo en nuestro conocimiento del Universo y en particular en relación a la fase inflacionaria que tuvo lugar durante los primeros instantes de su historia. 

 

 

Enlaces:

“A Joint Analysis of BICEP2/Keck Array and Planck Data” by the BICEP2/Keck and Planck collaboration has been submitted to the journal Physical Review Letters.

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Planck_takes_magnetic_fingerprint_of_our_Galaxy

www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Planck_reveals_an_almost_perfect_Universe

 

 

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