(Nota: esta respuesta se actualizó para reflejar el análisis en [1502.00612] Un análisis conjunto de BICEP2 / Keck Array y los datos de Planck que muestran que los resultados de BICEP2 no pueden interpretarse como detección de ondas gravitacionales primordiales, como se afirmó inicialmente).
El propósito del experimento BICEP2 es medir la polarización del fondo cósmico de microondas (CMB). El CMB se considera “la luz más antigua del universo”. Después del “Big Bang”, el universo era tan denso que cualquier luz producida (en forma de fotones) era inmediatamente absorbida por la materia. Se puede decir que el universo fue “opaco” durante ese tiempo.
Sin embargo, el universo se expandía constantemente, volviéndose menos denso (y menos caliente). Alrededor de 380,000 años después del Big Bang, el universo finalmente se volvió “transparente” y la luz pudo brillar. Esa luz existe hasta el día de hoy, en forma de CMB. Está a nuestro alrededor, en aproximadamente la misma cantidad en todas las direcciones, y podemos detectarlo con relativa facilidad. De hecho, se detectó por primera vez en 1964.
Ahora, dado que el CMB toma la forma de radiación electromagnética , está hecho de fotones. Los fotones pueden tener dos estados de polarización , por ejemplo, horizontal y vertical. Cuando usa gafas de sol, la cantidad de luz que llega a sus ojos se reduce pero no se bloquea por completo, ya que solo uno de los estados de polarización de los fotones es absorbido por las láminas polarizadoras de las gafas.
Se pensó que el descubrimiento realizado por BICEP2 el 17 de marzo de 2014 era la detección de ondas gravitacionales primordiales . Estas ondas gravitacionales habrían creado en el CMB un estado de polarización especial llamado polarización en modo B.
Puede pensar en las ondas gravitacionales como similares a las ondas electromagnéticas, o cualquier otro tipo de onda, como las ondas de agua. Sin embargo, mientras que otros tipos de ondas son “ondas” en algún tipo de medio, como el campo electromagnético o el océano, que se propagan en el espacio y el tiempo, las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo mismo . Se predijeron como consecuencia de la teoría de la relatividad general hace casi 100 años.
Las ondas gravitacionales que BICEP2 detectó que son detectadas no son el tipo “estándar” de ondas gravitacionales, que se supone que se generan todo el tiempo en todo el universo; son primordiales , lo que significa que son casi tan antiguos como el universo mismo . Entonces, lo que BICEP2 está buscando es evidencia de algo que sucedió, no 380,000 años después del Big Bang como el CMB, sino una fracción de segundo después del Big Bang . Esto es algo que nunca hemos visto antes, y el estudio de estas ondas primordiales podría conducir a nuevas ideas sobre lo que sucedió en los primeros momentos de nuestro universo.
Otra parte muy importante del descubrimiento afirmado es, como mencioné antes, que estas ondas gravitacionales han creado polarización en modo B en el CMB. No entraré en detalles sobre qué es esta polarización, ya que es bastante técnica y sin importancia (si está interesado en los detalles, consulte a continuación). Sin embargo, lo importante es saber que la polarización en modo B es una predicción de la teoría de la inflación cósmica .
Básicamente, la inflación cósmica es la hipótesis de que, inmediatamente después del Big Bang, el universo se expandió muy, muy, muy rápidamente , mucho más rápido que la velocidad de la luz. (Sin embargo, esto no viola el “límite de velocidad” impuesto por la relatividad especial, ya que el espacio mismo se estaba expandiendo, y ningún objeto físico viajaba realmente más rápido que la luz). Una fracción de segundo más tarde, esta rápida expansión se desaceleró y el universo continuó expandiéndose, pero a un ritmo mucho más lento.
Se cree que esta teoría es necesaria para explicar algunas propiedades del universo, como por qué se ve más o menos igual en todas las direcciones, y por qué parece ser plano en lugar de curvado. También explica cómo las fluctuaciones cuánticas (cambios aleatorios en la energía del vacío en puntos aleatorios en el espacio) que ocurrieron inmediatamente después del big bang se magnificaron y finalmente fueron responsables de la formación de galaxias, estrellas y planetas en nuestro universo.
Por lo tanto, un descubrimiento futuro de polarización en modo B en el CMB confirmaría la predicción hecha por la teoría de la inflación y, por lo tanto, proporcionaría evidencia de que la inflación cósmica en realidad ocurrió.
Aquí hay una imagen que ilustra todo lo que expliqué aquí:
El tiempo pasa de izquierda a derecha. Comienza con el Big Bang. Inmediatamente después de eso, se produce inflación, y puede ver que el universo crece extremadamente rápido en función de su ancho vertical en la ilustración. También puede ver que después de que se detiene la inflación, el universo continúa expandiéndose, pero a un ritmo mucho más lento. En el momento de la inflación, se crean ondas gravitacionales (vistas en la parte superior de la ilustración). Después de 380,000 años, se crea el CMB y las ondas gravitacionales lo imprimen con su polarización característica.
Apéndice: Una explicación sobre las polarizaciones en modo B.
Cualquier patrón de polarización en el CMB se puede separar en dos modos de polarización diferentes: modo E y modo B. Los nombres fueron elegidos porque el modo E es algo análogo al campo eléctrico, mientras que el modo B es análogo al campo magnético, y en física generalmente describimos los campos eléctrico y magnético usando las letras E y B, respectivamente.
La luz es una onda electromagnética, lo que significa que está hecha de campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Definimos arbitrariamente la polarización como la dirección en la que oscila el campo eléctrico.
Entonces, cuando dibuja un mapa del CMB como lo hizo el experimento BICEP2, puede dibujar las direcciones de oscilación de las ondas de luz como segmentos de línea. Cuando hace eso, descubre que estos segmentos de línea crean patrones de polarización en modo B en modo E, como se muestra aquí:
La diferencia entre los dos modos, como se ve claramente en la ilustración, es que los modos B tienen un “giro” o un “rizo”, mientras que los modos E son lo que describimos en física como “sin rizos”.
Ahora, se predice que las ondas gravitacionales creadas durante la inflación han impreso patrones de polarización tanto en modo E como en modo B. Sin embargo, la trampa es que los modos E se pueden crear por otros medios, por lo que la detección de los modos E en el CMB (que ya se ha hecho en el pasado) no puede considerarse evidencia de ondas gravitacionales primordiales.
Lo que hace las cosas aún más complicadas es que los modos E a veces pueden estar “distorsionados” para parecerse a los modos B. Estos tipos de modos B también se han detectado previamente.
Sin embargo, los modos B creados por ondas gravitacionales primordiales se pueden separar de los “falsos”. Observe los siguientes mapas generados por BICEP2:
Los ejes horizontal y vertical representan la posición en el cielo, por lo que estos son mapas reales del cielo. Los segmentos de línea muestran la dirección de la polarización, como se explicó anteriormente. Los colores representan el grado en que se puede considerar que cada parche del cielo está polarizado con polarización en modo E (figura superior) o modo B (figura inferior). En el caso de los modos B, el esquema de color mide cuánto se “retuerce” un parche particular del mapa: rojo si el giro es en sentido horario, azul si es en sentido antihorario.
Por lo tanto, el mapa en la parte inferior se pensó, antes de realizar un análisis estadístico adicional, para proporcionar evidencia de ondas gravitacionales primordiales.
