Evidencia de la existencia del universo antes del Big Bang
Cómo una característica basada en la observación de la inflación cósmica puede proclamar la revolución científica del siglo (18 de marzo de 2014)
A pesar de su nombre, la teoría del Big Bang no es una teoría en absoluto. Esta es una teoría de las consecuencias de una explosión.
- Alan Guth
Cuando imagina el comienzo del Universo, probablemente piense en un estado cálido y denso lleno de materia y radiación, que se expande y enfría increíblemente rápido (y, por cierto, eso fue todo). Pero lo que no se puede hacer es extrapolar nuevamente a un estado arbitrariamente caliente y denso. Puede pensar que sin problemas volverá en el tiempo, a una "singularidad" con temperatura y densidad infinitas, cuando toda la energía del Universo se haya comprimido en un solo punto, pero esto no es cierto.
Una de las grandes características del universo es que la radiación que se origina en ese momento todavía existe. Sufrió reflejos de partículas cargadas durante la época del Universo, la ex juventud, caliente e ionizada (y esto duró 380,000 años). Cuando el Universo se volvió eléctricamente neutro (cuando la materia formó por primera vez átomos neutros), la radiación del Big Bang se precipitó en línea recta, no interrumpida por esta materia neutra.
A medida que el Universo se expande, debido al hecho de que la energía de radiación está determinada por la longitud de onda, estas longitudes de onda se han extendido junto con la expansión del espacio, y desde entonces la energía ha disminuido mucho. Pero esto nos ayuda mucho, ya que proporciona material para la observación.
Y si pudiéramos ver y medir estas ondas, ¡nos darían una ventana para mirar al Universo temprano! Y así, en la década de 1960, Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron este resplandor residual del Big Bang, radiación que se propaga uniformemente en todas las direcciones, solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, y en él, los científicos reconocieron de inmediato la radiación de fondo cósmico de microondas, que tanto tiempo buscado!
Después de 50 años, hemos hecho un progreso increíble. No solo pudimos medir el espectro de energía de esta radiación, sino también medir las pequeñas fluctuaciones de temperatura inherentes a ella, así como su escala, su relación entre sí y cómo se relaciona todo con la evolución del Universo.
En particular, aprendimos cómo era el Universo a la edad de 380,000 años, de qué estaba hecho y cómo la materia interactuante afectó la radiación en su camino hacia nuestros ojos con una longitud de 13.8 mil millones de años.Pero hay algo más que nos puede dar información sobre estas cosas: podemos estudiar no solo la energía y la temperatura de la luz, sino también su polarización. Déjame explicarte.
De hecho, la luz es una onda electromagnética. Esto significa que consiste en campos eléctricos y magnéticos oscilantes perpendiculares entre sí, tiene una longitud de onda especial (determinada por la energía) y se propaga a la velocidad de la luz.Volando sobre partículas cargadas, reflejadas desde la superficie, interactuando con otros fenómenos electromagnéticos, los campos eléctricos y magnéticos reaccionan con su entorno.
Inicialmente, la luz recibida no debe estar polarizada, pero una gran cantidad de cosas conducen a su polarización de varias maneras. En otras palabras, la luz, que generalmente tiene campos eléctricos y magnéticos orientados aleatoriamente, puede experimentar interacciones como resultado de lo cual tendrá una orientación preferida. Y ahora podrá contarnos muchas cosas informativas sobre con quién interactuó la luz a lo largo de su historia.
El efecto de polarización de la radiación de microondas de fondo se descubrió por primera vez en la última década utilizando el satélite WMAP, y se esperan resultados aún mejores del Observatorio de Planck en el futuro (pero este tipo de investigación, debe notarse, es muy difícil de implementar). La polarización debido a la cual la luz se ve "radial" se llama modo E de polarización (para campos eléctricos), y la debido a la cual la luz está "retorcida" se llama modo B de polarización (para campos magnéticos).
La mayoría de los efectos observados se deben a miles de millones de años luz de materia que ha pasado a través de la luz; lo llamamos "primer plano". Tuvo que ir todo el camino en todas las direcciones desde la era de la radiación para llegar a nuestros ojos hoy.
Pero se suponía que la pequeña, pequeña parte de la polarización nos llegaría desde épocas anteriores. Verá, antes del Big Bang, antes de que el Universo en general pudiera describirse como caliente, denso y lleno de materia y radiación, el Universo simplemente se expandió exponencialmente; Fue un período de inflación cósmica. En este momento, el universo estaba dominado por la energía inherente al espacio más vacío: energía en una cantidad mucho mayor de la que está presente en la actualidad.
En este momento, las fluctuaciones cuánticas, inherentes al espacio mismo, se extendieron por todo el Universo y proporcionaron las fluctuaciones de densidad iniciales que dieron lugar al Universo de hoy.Pero solo en las regiones donde terminó la inflación, y donde esta energía inherente al espacio se convierte en materia y radiación, y ocurre el Big Bang.
Y en estas regiones, donde terminó la inflación, tenemos un universo que es mucho más grande que su sección observada. Esta es la idea del multiverso, y es por eso que creemos que, muy probablemente, vivimos en él.
¿Qué pasa con esta inflación en sí misma? ¿Podemos descubrir algo sobre ella?Puede decidir que las fluctuaciones cuánticas, y las fluctuaciones de densidad que siembran, son todo lo que tenemos. Y hasta hace poco, te lo habría dicho. Pero en teoría, la inflación también genera ondas gravitacionales, que aún no pudimos detectar. LISA, la antena espacial de un interferómetro láser (un proyecto pospuesto en el mejor de los años 2030), fue nuestra mejor esperanza para la detección directa de ondas.
Pero incluso sin LISA, las ondas gravitacionales se pueden detectar mediante un método indirecto. Aunque las ondas gravitacionales y la luz viajan a la misma velocidad, la luz se ralentiza a medida que pasa a través de un medio. ¡Esto sucede incluso en un medio tan enrarecido como el espacio intergaláctico e interestelar! Y dado que las ondas gravitacionales no se ralentizan, solo se ven afectadas por la curvatura del espacio-tiempo, ¡alcanzan la luz y conducen a la polarización!
En general, son las deformaciones del espacio-tiempo a cierta escala las que estiran las ondas de luz de cierta manera cuando viajan desde el Big Bang a nuestros ojos.
Específicamente, los rasgos característicos de las ondas gravitacionales deberían aparecer como un modo B de polarización, y deberían dejar un patrón específico a gran escala.Aunque el Observatorio de Planck debería ver y confirmar esto, estaba por delante del equipo que trabaja en el Polo Sur: ¡BICEP2!
A escalas del orden de 1,5 grados, el modo B de polarización es muy obvio, y ya se ha declarado abierto, aunque con un significado de 2.7σ (nota: en estas escalas el significado es de 5.2σ, pero deben convencer a todos de que este nivel de detección no apareció gracias a una combinación de primer plano y sistemática). 2.7σ significa que hay un 2% de posibilidades de que esta detección sea falsa y desaparezca con más datos. Pero en el mundo de la ciencia, esta es una probabilidad bastante alta, por lo tanto, por ahora, este descubrimiento no debe considerarse un hecho consumado.
Si la apertura pasa la prueba, será un evento muy serio. Esto es lo que necesitamos medir, y no solo para saber si la inflación fue (lo más probable, fue), sino para averiguar qué modelo de inflación describe el Universo.Plank, después de haber publicado sus primeros resultados el año pasado, no encontró nada en absoluto.
Hay varios tipos generales de inflación que podrían ocurrir: en particular, si el valor de r en estos gráficos resulta ser cero, esto será a favor del modelo de "campo pequeño", y si resulta ser algo enorme (por ejemplo, 0.2, a juzgar por por estos resultados), esto será una prueba del modelo de "campo grande".
¿Es este un resultado definitivo? No Necesitamos estadísticas mucho mejores para declarar esto como un descubrimiento: no podemos aceptar estos resultados y declarar: "sí, estas son las ondas gravitacionales iniciales que quedan de la inflación", ya que necesitamos una mejor evidencia. 2.7σ no es malo, pero en el cruel mundo de la física necesitamos un resultado confirmado de 5σ. La papelera de la historia de la física está llena de "descubrimientos" con 3σ que desaparecieron con la llegada de nuevos datos.Sabemos que la inflación fue; Los orígenes de la estructura en el Universo, su apariencia actual, su apariencia hace 13.800 millones de años y en cualquier parte de la brecha, ya nos han contado sobre esto. Pero existe la posibilidad, y los primeros indicios de que las ondas gravitacionales también podrían permanecer. Y si resulta que realmente los vimos, tendremos que confirmarlo en los próximos años. Pero si la observación se vuelve insignificante a medida que se recopilan datos, esto no significará que el modelo de inflación es incorrecto, solo que no produce los modos B más fuertes.
Esto aún no es un "descubrimiento", sino una pista de que podríamos tropezar con algo sorprendente: la primera pista sobre cómo nació nuestro universo. Si resulta ser cierto, será el descubrimiento del siglo. Pero si nuevos datos lo refutan, lo que bien puede suceder, esto no significa que el modelo de inflación esté equivocado; Esto significa que las ondas gravitacionales de la inflación son más pequeñas que los modelos más optimistas predichos.Pero será real o no, todavía aprendemos un poco más sobre cómo apareció todo nuestro Universo.Actualización: en los comentarios sobre el artículo original, los lectores informaron que la importancia de más de 5σ se menciona en el trabajo. En particular, observan una cierta parte de la escala angular, donde realmente ven una señal con un significado de 5.2σ.
¿Podría el foco ser responsable de esto? Este es el único componente que puede tacharse, si, por supuesto, entendí correctamente el trabajo, con un significado de solo 2.7σ.Compruébalo por ti mismo.
La importancia del resultado no es mayor que la de la fuente más probable de incertidumbre, e incluso si r puede ser igual a cero, es muy importante excluir esta posibilidad. En el trabajo, puede haber sido expulsado, pero no me pareció que esto se hiciera clara y claramente. Sin embargo, ¡estoy muy interesado en cómo se desarrollará todo esto! Si excluyen el enfoque de la misma manera que la emisión de sincrotrón, se cumplirá la limitación de 5σ, ¡y esto ya significará el Nobel!Una nota posterior sobre el artículo escrito el 18 de marzo de 2014:El 17 de marzo de 2014, científicos del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica anunciaron el descubrimiento del modo B en r = 0.2. Sin embargo, un análisis posterior (publicado el 19 de septiembre de 2014), realizado por otro grupo de investigadores utilizando datos del Observatorio Planck, mostró que el resultado de BICEP2 puede atribuirse completamente al polvo galáctico.Source: https://habr.com/ru/post/es395011/
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