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Sin datos concretos de las ondas gravitatorias primordiales
La imagen muestra una porción del cielo meridional en base a observaciones realizadas por el satélite Planck, en longitudes de onda de microondas y submilimétricas. La zona coloreada representa la emisión del polvo, un componente menor pero crucial del medio interestelar que impregna nuestra galaxia, la Vía Láctea. La textura muestra la orientación del campo magnético galáctico. Se basa en las mediciones de la dirección de la luz polarizada emitida por el polvo. La zona remarcada muestra la posición del pequeño sector del cielo que fue observado con dos experimentos desde el Polo Sur, BICEP2 y el Keck Array, y produciendo la posible detección de modos-B rizados en la polarización del Fondo Cósmico de Microondas, la luz más antigua en la historia del Universo. Sin embargo, un análisis conjunto de la información de BICEP2, el Keck Array, y Planck luego mostró que esa señal no es de naturaleza cosmológica, pero causada por el polvo en nuestra galaxia. La imagen muestra que la emisión de ese polvo es la más fuerte a lo largo del plano de la galaxia, en la parte superior de la imagen, pero que no puede ser desdeñado aún en otras regiones del cielo. La pequeña nube roja, arriba a la derecha del campo de BICEP2, muestra la emisión del polvo de la Pequeña Nube de Magallanes, una galaxia satélite de la Vía Láctea. Crédito de la imagen: Colaboración ESA/Planck. Reconocimiento: M.-A. Miville-Deschênes, CNRS – Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-XI, Orsay, France
No fueron encontradas pruebas concluyentes de las ondas gravitatorias primordiales en el análisis conjunto de datos del satélite Planck de la ESA y los experimentos desde la superficie terrestre de BICEP2 y de Keck Array, según informó la Agencia Espacial Europea. Parece que el polvo de la Vía Láctea influyó al afectar la señal del Fondo Cósmico de Microondas, y confundir a investigadores que anunciaron un año atrás que habían hallado el momento en que comenzó la expansión del Universo.
El Universo comenzó hace unos 13.800 millones años y evolucionó desde un estado extremadamente caliente, denso y uniforme al rico y complejo Cosmos de galaxias, estrellas y planetas que vemos ahora.
Una extraordinaria fuente de información sobre la historia del Universo es el Fondo Cósmico de Microondas, o CMB por Cosmic Microwave Background, el legado de la luz emitida sólo 380.000 años después del Big Bang.
El satélite Planck de la ESA observó este fondo a través de todo el cielo con una precisión sin precedentes, y hemos asistido, gracias a esa misión, a una amplia variedad de nuevos descubrimientos sobre el Universo temprano en los últimos dos años.
Las anisotropías del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) observadas por Planck. El CMB es una instantánea de la luz más antigua en nuestro Universo, impresa en el cielo cuando el Universo tenía sólo 380.000 años. Muestra las pequeñas fluctuaciones de temperatura que corresponden a regiones de densidades ligeramente diferentes, lo que representa las semillas de toda estructura futura: las estrellas y las galaxias de hoy. Crédito de la imagen: ESA y la Colaboración Planck – D. Ducros
Pero como humanos curiosos que son, los astrónomos aún están buscando a mayor profundidad en la información con la esperanza de explorar, de ir más atrás en el tiempo: están buscando una firma particular de la ‘inflación’ cósmica, una expansión acelerada muy breve que, según la teoría actual, el Universo experimentó cuando sólo había pasado la más pequeña fracción desde su expansión.
Esta firma podría haber sido sembrada por las ondas gravitatorias, pequeñas perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo, que los astrónomos creen que se habrían generado durante la fase inflacionaria.
Curiosamente, estas perturbaciones deben dejar una huella en otra de las características del fondo cósmico: su polarización.
La luz está polarizada cuando las ondas de luz vibran preferentemente en una dirección determinada.
El CMB está polarizado, exhibiendo un complejo despliegue a través del cielo. Esto surge de la combinación de dos patrones básicos: circulares y radiales (conocido como modos-E), y rizados (conocidos como modos-B).
El campo magnético del plano de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Crédito de la imagen: ESA/Colaboración Planck. Reconocimiento: M.-A. Miville-Deschênes, CNRS – Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-XI, Orsay, France
Diferentes fenómenos en el Universo producen ya sea modos E o B a diferentes escalas angulares e identificar las distintas contribuciones requiere mediciones extremadamente precisas. Son los modos B los que podrían quedarse con el premio de permitir sondear el desarrollo temprano 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 representa sólo un pequeño, escaso porcentaje de la luz total”, expresó Jan Tauber , científico de la ESA para el proyecto Planck.
Planck no está solo en esta búsqueda. A comienzos de 2.014, otro equipo de astrónomos presentó los resultados en base a observaciones del CMB polarizado de un pequeño parche del cielo realizado de 2.010 a 2.012 con BICEP2, un experimento situado en el Polo Sur. El equipo también usó los datos preliminares de otro experimento en el Polo Sur, el Keck Array.
Esta ilustración muestra cómo son desviados los fotones del Fondo Cósmico de Microondas (CMB), en observaciones del telescopio espacial Planck de la ESA. La curvatura es por el efecto de lente gravitacional de estructuras cósmicas masivas a medida que los fotones viajan a través del Universo. La lente gravitatoria crea diminutas distorsiones adicionales al patrón moteado de las fluctuaciones de temperatura del CMB. Una pequeña fracción de la CMB es polarizada; uno de los componentes de esta luz polarizada, los modos-B, obtuvo una ‘marca’ adicional del lente gravitacional. Este sello fue encontrado por primera vez mediante la combinación de los datos de experimentos realizados en observatorios en el Polo Sur y el observatorio Herschel de la ESA. Crédito de la imagen: ESA y Colaboración Planck.
Encontraron algo nuevo: los modos-B rizados en la polarización observada en tramos del cielo un poco más grandes que el tamaño de la Luna llena.
El equipo de BICEP2 presentó evidencia a favor de la interpretación de que esta señal se originó en las ondas gravitatorias primordiales, lo que desató una enorme respuesta de la comunidad académica y del público en general.
Sin embargo, hay otro ingrediente en este juego que puede producir un efecto similar: el polvo interestelar de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
La Vía Láctea está impregnada de una mezcla de gas y polvo que brilla en las frecuencias similares a las del CMB, y esta emisión en primer plano afecta a la observación de la luz cósmica más antigua. Se necesita un análisis muy para separar la emisión en primer plano del fondo cósmico.
El polvo interestelar también emite luz polarizada, lo que también afecta a la polarización del CMB.
“Cuando detectamos por primera vez esta señal en nuestros datos, nos apoyamos en los modelos de emisión de polvo galáctico que estaban disponibles en el momento”, manifestó John Kovac, investigador principal de BICEP2 de la Universidad de Harvard, en Estados Unidos.
“Estos modelos parecían indicar que la región del cielo elegido para nuestras observaciones tenía una polarización de polvo mucho menor que la señal detectada”, precisó.
Los dos experimentos realizados desde la superficie terrestre recogieron datos en una sola frecuencia de microondas, por lo que es difícil separar las emisiones procedentes de la Vía Láctea y del fondo.
Por su parte, Planck observó el cielo en nueve microondas y frecuencias de canales submilimétricos, siete de los cuales también estaban equipados con detectores sensibles a la polarización. Mediante un cuidadoso análisis, estos datos multi-frecuencia se pueden usar para separar las diferentes contribuciones.
El equipo de BICEP2 había elegido un campo donde creían que la emisión de polvo sería baja, y así interpretaron la señal como de origen cosmológico.
Sin embargo, tan pronto como fueron difundidos los mapas de Planck de la emisión polarizada del polvo galáctico, estaba claro que esa contribución en primer plano podía ser mucho mayor de la esperada.
De hecho, en septiembre de 2014, Planck reveló por primera vez que la emisión polarizada del polvo es importante en todo el cielo, y comparable a la señal detectada por BICEP2 incluso en las regiones más limpias.
Entonces, los equipos de Planck y BICEP2 unieron fuerzas, y combinaron la capacidad del satélite para afrontar los primeros planos usando observaciones en varias frecuencias – incluyendo aquellos en los que la emisión de polvo es más fuerte – con la mayor sensibilidad de los experimentos en tierra en áreas limitadas del cielo, gracias a su tecnología más reciente. Para entonces, los datos completos del Keck Array de 2.012 y 2.013 también estaban disponibles.
“Este trabajo conjunto ha demostrado que la detección de modos-B primordiales ya no es sólida, una vez que se elimina la emisión de polvo galáctico”, señaló Jean-Loup Puget, investigador principal del instrumento HFI de Planck en el Institut d’Astrophysique Spatiale, en Orsay, Francia.
“Así que, por desgracia, no hemos podido confirmar que la señal es una huella de la inflación cósmica”, remarcó.
Otra fuente de polarización de los modos-B, que se remonta al universo temprano, fue detectada en este estudio, pero en escalas mucho más pequeñas en el cielo.
Esta señal, descubierta por primera vez en 2.013, no es una prueba directa de la fase inflacionaria, pero es inducida por la red cósmica de estructuras masivas que pueblan el Universo y cambian la trayectoria de los fotones del CMB en su camino hacia nosotros.
Este efecto se denomina “lente gravitacional”, ya que es causada por objetos masivos que curvan el espacio circundante y desvían así la trayectoria de la luz al igual que lo hace una lupa. La detección de esta señal utilizando en conjunto a Planck, BICEP2 y el Keck Array aún es la más fuerte.
En cuanto a las señales del período inflacionario, el interrogante permanece abierto.
“Aunque no hemos encontrado evidencias fuertes de una señal de las ondas gravitatorias primordiales, actualmente están disponibles las mejores observaciones de polarización del CMB, y esto de ninguna manera excluye la inflación”, dijo Reno Mandolesi, investigador principal del instrumento LFI de Planck en la Universidad de Ferrara, Italia.
De hecho, el estudio conjunto establece un límite superior sobre la cantidad de ondas gravitatorias de la inflación, que podría haber sido generada en aquel momento, pero a un nivel demasiado bajo como para ser confirmada por el presente análisis.
“Este análisis muestra que la cantidad de ondas gravitatorias puede ser probablemente no más que sólo la mitad de la señal observada”, indicó Clem Pryke, investigador principal de BICEP2 en la Universidad de Minnesota, en EE.UU..
“El nuevo límite superior en la señal debido a las ondas gravitatorias concuerda bien con el límite superior que obtuvimos anteriormente con Planck usando las fluctuaciones de temperatura del CMB”, explicó Brendan Crill, miembro destacado de los equipos de Planck y de BICEP2, perteneciente al Jet Propulsion Laboratory, de la NASA.
“La señal de ondas gravitatorias todavía podría estar allí, y la búsqueda está definitivamente en marcha”, resaltó Crill.
“Un análisis conjunto de los datos de BICEP2/Keck Array y Planck” realizado por la colaboración de los tres equipos fue enviado a la revista Physical Review Letters.
El estudio combina datos del satélite Planck de la ESA y de los experimentos en la superficie terrestre de BICEP2 y Keck Array, financiados por la National Science Foundation de Estados Unidos.
El análisis se basa en la observación de la polarización del CMB en un sector del cielo de 400 grados cuadrados. Los datos de Planck cubren las frecuencias entre 30 GHz y 353 GHz, mientras que los datos de BICEP2 y Keck Array fueron tomados en una frecuencia de 150 GHz.
Señalemos, asimismo, que la ESA anunció que habrá un comunicado público sobre los datos de Planck la semana venidera.
Lanzada en 2009, la misión Planck fue diseñada para cartografiar el cielo en nueve frecuencias utilizando dos instrumentos con tecnología de última generación: el Instrumento de Baja Frecuencia (LFI), que incluye tres bandas de frecuencia en el rango de 30 a 70 GHz, y el Instrumento de Alta Frecuencia (HFI), que incluye seis bandas de frecuencia en el rango de 100 a 857 GHz.
HFI completó su monitoreo en enero de 2.012, mientras que LFI continuó haciendo observaciones científicas hasta el 3 de octubre de 2.013, antes de ser apagado el 19 de octubre de 2.013. Siete de los nueve canales de frecuencia de Planck fueron equipados con detectores sensibles a la polarización.
La Colaboración Científica Planck cuenta con científicos que son miembros de uno o más de estos cuatro consorcios: Consorcio LFI, el Consorcio HFI, el Consorcio DK-Planck, y la Oficina de Ciencia de Planck, de la ESA. Los dos centros europeos de Procesamiento de Datos de Planck funcionan en París, Francia y en Trieste, Italia.
El consorcio LFI es liderado por N. Mandolesi, Università degli Studi di Ferrara, Italia (Investigador principal asociado: M. Bersanelli, Università degli Studi di Milano, Italia), y fue responsable del desarrollo y el funcionamiento de LFI.
El consorcio HFI está dirigido por J.L. Puget, Instituto de Astrofísica Espacial en Orsay, Francia (Investigador principal asociado: F. Bouchet, Instituto de Astrofísica de París, Francia), y fue el responsable del desarrollo y operación de HFI.
