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El descubrimiento de las ondas gravitatorias primordiales está oficialmente muerto

Los datos combinados del experimento BICEP2 del Polo Sur y de la sonda Planck apuntan al polvo galáctico como la señal que confundió las conclusiones

El equipo de astrónomos que el año pasado reportó evidencia de ondas gravitacionales de los inicios del universo ha retirado ahora su anuncio de descubrimiento. Un análisis conjunto de los datos registrados por el equipo del telescopio del Polo Sur y por la nave espacial europea Planck ha revelado que la señal se puede atribuir por completo al polvo en la Vía Láctea en lugar de tener un origen cósmico más antiguo.

La Agencia Espacial Europea (ESA) anunció esos resultados tan esperados el 30 de enero de 2014, un día después de que los miembros franceses del equipo de Planck hubiesen publicado involuntariamente en línea un resumen de éstos, que luego circularon ampliamente antes de que lo retiraran.

La región del cielo austral, donde el telescopio BICEP2 observó una polarización de las microondas se muestra como líneas punteadas sobre los datos de Planck

En marzo, el hallazgo fue liberado definitivamente por los investigadores que utilizan un radiotelescopio en el Polo Sur llamado BICEP2. Se vinculaba con el hallazgo de un floreado patrón en la polarización del fondo cósmico de microondas, la radiación fósil del Big Bang. El equipo atribuyó el patrón a ondas gravitatorias —ondulaciones en el espacio-tiempo— generadas durante el momento más temprano del Universo, cuando los cosmólogos creen que el cosmos sufrió un breve pero tumultuoso episodio de expansión conocido como inflación. Si se detectara, las ondas primordiales confirmarían la exitosa teoría de la inflación, que no tiene aún pruebas de que sea correcta.

Pero el polvo en la Vía Láctea también emite luz polarizada que puede mostrar el mismo patrón curvado dibujado en ella. Los astrónomos han sugerido varias veces durante el año pasado que el equipo BICEP2 había sido engañado por esa señal galáctica (ver «Full-Galaxy dust map muddles search for gravitational waves»). El análisis de Planck-BICEP2 confirma que BICEP2 no puede pretender que hallaron evidencia de observación de ondas gravitatorias primordiales.

En el análisis conjunto, los investigadores superpusieron datos registrados por el telescopio BICEP2 a una frecuencia de 150 gigahertz con datos grabados de la misma zona del cielo por Planck a 353 Ghz, una frecuencia a la que prácticamente toda la luz polarizada proviene del polvo. (Planck también registra señales de polarización en las frecuencias más bajas). Los dos conjuntos de datos mostraron coincidencia. La región en la que BICEP2 encontró su señal más fuerte es el mismo lugar en que la señal de polvo de Planck es más fuerte, lo que indica que la señal BICEP2 se debe casi por completo al polvo.

«Este trabajo conjunto ha demostrado que la detección de modos B primordiales ya no es firme, una vez que se elimina la emisión de polvo galáctico», dice el astrónomo de Planck Jean-Loup Puget de la Universidad de Paris-Sud en Orsay en el comunicado de prensa de la ESA. «Así que, por desgracia, no hemos podido confirmar que la señal es una huella de la inflación cósmica.»

El investigador de Planck George Efstathiou de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, dice que la conclusión no es ninguna sorpresa. «Yo no sé por qué la gente está tan alborotada», dice. «No hay nada dramático aquí, constituye el punto de vista de la ciencia.»

Efstathiou caracterizó la fuga de información del 29 de enero tanto «lamentable» como «descuidada». «La gente de BICEP sentía que no habían manejado bien la publicidad la primera vez» y que todo el mundo estaba ansioso por hacer público el análisis conjunto de una manera más prudente.

El cosmólogo Raphael Flauger de la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pennsylvania, que fue uno de los primeros investigadores que puso los hallazgos BICEP2 en tela de juicio, está de acuerdo con esa opinión. «Es algo desafortunado que un resultado tan esperado fuese presentado al público de esta manera», señala. Se negó a discutir los detalles del análisis conjunto, ya que el artículo aún no estaba disponible, pero señaló que «lo que se desprende de estas imágenes es que se subestimaron los niveles de polvo en los resultados BICEP2 presentados en marzo, de acuerdo con lo que se dijo en nuestra publicación» (véase «Gravitational wave discovery faces scrutiny«).

«Cuando detectamos por primera vez esta señal en nuestros datos, nos basamos en modelos de la emisión de polvo galáctico que estaban disponibles en el momento», dice John Kovac, un investigador principal de BICEP2 en el Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica en Cambridge, Massachusett, en el comunicado de prensa de la ESA. «Estos parecían indicar que la región del cielo elegido para nuestras observaciones tenía una polarización de polvo mucho más baja que la señal detectada.»

Los hallazgos no significan que es imposible encontrar evidencia de ondas gravitacionales en el fondo de microondas; sólo que BICEP2 no podría detectar de manera concluyente una señal entre el ruido galáctico.

 

 

«Hay un claro camino a seguir», dice Kamionkowski. «Si no hacemos más medidas de este tipo en múltiples frecuencias, podremos separar la señal de polvo de la señal [primordial], precisamente,» y hacer una búsqueda más exhaustiva de las ondas gravitacionales.

Nature doi:10.1038/nature.2015.16830

Fuente: Nature. Aportado por Eduardo J. Carletti

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En teoría, la Vía Láctea podría ser un "sistema de transporte galáctico"

En base a las últimas evidencias y teorías, nuestra galaxia podría ser un enorme agujero de gusano y, si eso fuera cierto, podría ser «estable y navegable». Los astrofísicos combinan las ecuaciones de la relatividad general con un mapa muy detallado de la distribución de la materia oscura en la Vía Láctea al proponer esta posibilidad

La hipótesis es planteada en un estudio publicado en los Annals of Physics, y conducido con la participación de SISSA en Trieste. El artículo, resultado de una colaboración entre investigadores indios, italianos y norteamericanos, le pide a los científicos repensar la materia oscura.

«Si combinamos el mapa de la materia oscura en la Vía Láctea con el más reciente modelo del Big Bang para explicar el universo, si postulamos la existencia de túneles de espacio-tiempo, lo que obtenemos es que nuestra galaxia podría contener realmente uno de estos túneles, y que el túnel podría incluso ser el tamaño de la propia galaxia. Pero hay más», explica Paolo Salucci, astrofísico de la School for Advanced Studies (SISSA) de Trieste, y experto en la materia oscura. «Podríamos incluso viajar a través de este túnel, ya que, sobre la base de nuestros cálculos, podría ser navegable. Al igual que lo que todos hemos visto en la reciente película ‘Interestelar‘». Salucci es uno de los autores del artículo publicado recientemente en la revista Annals of Physics.

Aunque los túneles en el espacio-tiempo (o agujeros de gusano, o puentes Einstein-Penrose) han adquirido recientemente una gran popularidad entre el público gracias a la película de ciencia ficción de Christopher Nolan, han sido un foco de atención de los astrofísicos durante muchos años. «Lo que intentamos hacer en nuestro estudio fue resolver exactamente la ecuación en la que el astrofísico ‘Murph’ estaba trabajando. Es evidente que lo hicimos mucho antes de que la película saliera», bromea Salucci. «Es, de hecho, un problema extremadamente interesante para los estudios de la materia oscura».

«Obviamente no estamos afirmando que nuestra galaxia es, definitivamente, un agujero de gusano, sino simplemente que, de acuerdo con los modelos teóricos, esta hipótesis es una posibilidad». ¿Se podrá probar experimentalmente alguna vez? «En principio, podríamos probarlo comparando dos galaxias; nuestra galaxia y otra muy cerca de nosotros como, por ejemplo, la Nube de Magallanes, pero todavía estamos muy lejos de la posibilidad real de hacer una comparación de este tipo».

Para llegar a estas conclusiones, los astrofísicos combinan las ecuaciones de la relatividad general con un mapa muy detallado de la distribución de la materia oscura en la Vía Láctea: «el mapa fue uno que obtuvimos en un estudio que se llevó a cabo en 2013», explica Salucci. «Más allá de la hipótesis de la ciencia ficción, nuestra investigación es interesante porque propone una más compleja reflexión sobre la materia oscura«.

Como Salucci señala, los científicos siempre han tratado de explicar la materia oscura por la hipótesis de la existencia de una partícula determinada, el neutralino, que, sin embargo, nunca ha sido identificado en el CERN u observada en el universo. Pero también existen teorías alternativas que no dependen de la partícula», y tal vez es hora de que los científicos tomen este asunto en ‘serio'», concluye Salucci. «La materia oscura puede ser «otra dimensión», tal vez incluso un importante sistema de transporte galáctico. En cualquier caso, lo que realmente necesitamos es empezar a preguntarnos qué es».

Además de Salucci, los otros científicos que participaron en el estudio fueron Farook Rahaman (primer autor), de la Universidad Jadavpur en la India, y un grupo de investigadores de la India y de América del Norte.

 

 

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Búsquedas: La materia oscura a través del espejo

Entre los candidatos que podrían formar la misteriosa materia oscura, esa cuarta parte del universo todavía desconocida, figuran los ‘fotones oscuros’. Para tratar de descubrirlos científicos europeos construyen en Alemania el primer experimento específicamente diseñado para su detección. Su herramienta es parte de un gran espejo esférico que sirvió de prototipo en un observatorio argentino de rayos cósmicos

El cerco a la materia oscura se estrecha. Los científicos tratan de conocer por todos los medios qué compone ese 26% del universo todavía desconocido mediante diferentes experimentos, cada uno con su propio candidato para formar el ‘lado oscuro’ del cosmos: WIMPs (partículas masivas que interactúan débilmente), neutrinos o axiones son algunas de las partículas que postulan las teorías más populares.

Dentro del sector que busca materia oscura ‘ligera’ se encuentra el fotón ‘oculto’ (hidden photon), que, a diferencia del fotón que nos trae la luz de las estrellas, tendría una pequeña masa y casi no interactuaría con la materia ordinaria que nos compone. Científicos europeos, entre los que se encuentran físicos de la Universidad de Zaragoza, construyen en Alemania el primer experimento específicamente diseñado para su detección.

El experimento tiene el sonoro nombre de FUNK, Finding U(1)’s of a Novel Kind. Consiste en un espejo cóncavo de unos 13 m2 con un detector muy sensible en el centro de curvatura. Forma parte de un prototipo esférico para desarrollar los telescopios de fluorescencia del observatorio Pierre Auger (Malargüe, Argentina), una de las técnicas con las que los científicos detectan las partículas con carga procedentes de las interacciones que producen los rayos cósmicos cuando inciden en la atmósfera. Ahora, este espejo está en una sala blindada de hormigón en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), donde resulta sencillo aislarlo de la luz ambiente.

«El experimento ha de ser montado en una sala oscura para energías en el rango visible, una fría para el infrarrojo, una fría y anecoica para microondas», explica Javier Redondo, investigador de la Universidad de Zaragoza participante en el proyecto. De momento ya han conseguido la oscuridad que requieren para buscar la materia oscura.

«El objetivo es detectar fotones ocultos o hidden photons, un tipo de partícula que apenas interactúa con la materia y atraviesa fácilmente cualquier objeto», continúa Redondo. «Cuando atraviesan una superficie pulida de alta reflectividad (un espejo) tienen una pequeña probabilidad de convertirse en un fotón ordinario, que sería captado por el detector situado en el centro del espejo. Esa ‘pequeña probabilidad’ es de menos de 10-18 siendo optimistas, lo que da una idea de lo penetrantes que resultan estas partículas».

Los fotones ocultos podrían tener masa, a diferencia de los ordinarios de la luz

De momento, los fotones ocultos solo han aparecido en teorías que intentan explicar la naturaleza a distancias muy pequeñas, como la teoría de cuerdas. Al igual que el fotón es la partícula elemental que manifiesta la existencia de una de las cuatro interacciones elementales de la naturaleza (el campo electromagnético), y el bosón de Higgs revela la existencia de un campo (de Brout-Englert-Higgs) que otorga masa a las partículas elementales, «el fotón oculto sería la partícula de un nuevo campo parecido al electromagnético, pero que se acopla (interactúa) muy débilmente con la materia ordinaria», describe Redondo.

Sin embargo, a diferencia del fotón ordinario, los fotones ocultos podrían tener masa. «Si una partícula interactúa débilmente, tiene masa y su vida media es mayor que la edad del universo, es una excelente candidata para formar la materia oscura», asegura el investigador español.

«Algunos estudios demuestran que durante el Big Bang se pudo producir la cantidad justa de fotones ocultos para explicar toda la materia oscura que sabemos que hay en el universo. Esto puede ocurrir mediante colisiones entre partículas del plasma primordial (algo parecido a la sopa de quarks, gluones, electrones y muones que reproduce el LHC en un tipo de colisiones) pero también mediante fluctuaciones cuánticas durante la inflación o durante una transición de fase”.

Detectar una señal de fotones ocultos en FUNK revelaría la existencia de una nueva partícula, pero a partir de ahí el trabajo es ingente para saber cómo formaría la materia oscura. Según Redondo, la masa del fotón oculto se convierte en la energía del fotón ordinario emitido (y detectado) según la famosa ecuación de Einstein que relaciona ambas magnitudes. Entonces, midiendo la energía de los fotones sabríamos cual es la masa del fotón oculto, pero esto sólo sería el principio.

Parecido a la física de neutrinos

«Además de la energía de cada fotón, se puede medir la cantidad de fotones detectados por unidad de tiempo, algo proporcional a la probabilidad de conversión de fotones ocultos a fotones ordinarios y a la cantidad de fotones ocultos que cruzan el espejo. Como no sabemos qué fracción de la materia oscura esta formada por fotones ocultos, de nuestra medida sólo obtendríamos un límite inferior a la probabilidad, pero casi todos los experimentos de materia oscura adolecen de esta circunstancia», admite Redondo.

La probabilidad de conversion depende de lo que los físicos llaman ‘ángulo de mezcla’ entre el fotón oculto y el fotón ordinario. La física recuerda mucho a la de neutrinos, partículas elementales descubiertas en la década de los 50 (predichas 20 años antes) de las que aún se estudian sus propiedades, entre ellas los ángulos de mezcla que rigen algunas de sus transformaciones.

Según Javier Redondo, FUNK tiene la sensibilidad para detectar fotones ocultos trabajando con el espectro visible y el de microondas, algo que pondrán en práctica este año. La idea del experimento fue concebida en un congreso científico en DESY Hamburgo, cuando físicos expertos en teoría y fenomenología de fotones ocultos entraron en contacto con radioastrónomos y físicos de astropartículas que identificaron las posibilidades del espejo de Auger en Karlsruhe.

 

 

De momento, los científicos cuentan con una pequeña financiación de DESY y el apoyo del Instituto de Tecnología de Karlsruhe para llevar adelante la primera aproximación a los fotones ocultos. Algunos detalles de la investigación se han publicado en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Fuente: Sinc. Aportado por Eduardo J. Carletti

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