Los físicos que buscan signos de ondas gravitacionales primordiales al filtrar la luz más antigua del cosmos, el fondo cósmico de microondas (CMB), han informado de sus hallazgos: todavía nada.
Pero lejos de ser un fracaso, los últimos resultados del experimento BICEP3 en el Polo Sur han estrechado los límites de los modelos de inflación cósmica, un proceso que en teoría explica varias características desconcertantes de nuestro universo y que debería haber producido ondas gravitacionales poco después del comenzó el universo.
El telescopio BICEP3 en el Polo Sur. Crédito de la imagen: BICEP / Keck Collaboration
“Los modelos de inflación que alguna vez fueron prometedores ahora están descartados”, dijo Chao-Lin Kuo, investigador principal de BICEP3 y físico de la Universidad de Stanford y del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía.
Los resultados se publicaron en Physical Review Letters .
Explotando el universo
La inflación cósmica es la idea de que muy temprano en la historia del universo, la cantidad de espacio en el universo explotó desde aproximadamente el tamaño de un átomo de hidrógeno a aproximadamente un año luz de diámetro, aproximadamente en el tiempo que le tomaría a la luz viajar uno. -trillonésima parte del camino a través del mismo átomo.
La inflación puede explicar muchas cosas, en particular, por qué el universo parece ser bastante suave y tiene el mismo aspecto en todas las direcciones, por qué el espacio es plano y por qué no hay monopolos magnéticos. Aún así, los físicos no han logrado resolver los detalles exactos y han encontrado muchas formas diferentes en las que podría haber ocurrido la inflación.
Una forma de determinar cuál de estos modelos inflacionarios es correcto, si es que hay alguno, es buscar ondas gravitacionales que se habrían producido a medida que el espacio se expandía y la materia y la energía en él se desplazaban. En particular, esas ondas deberían dejar una huella en la polarización de la luz en el fondo cósmico de microondas.
Ondas gravitacionales polarizantes
Esta luz polarizada tiene dos componentes: modos B, que giran alrededor del cielo, y modos E, que están dispuestos en líneas más ordenadas. Aunque los detalles dependen del modelo de inflación correcto, las ondas gravitacionales primordiales deberían aparecer como patrones particulares de los modos B y E.
A partir de mediados de la década de 2000, los investigadores comenzaron a estudiar la polarización en modo B en el CMB, buscando evidencia de ondas gravitacionales primordiales. Con el tiempo, los detalles de los experimentos han cambiado considerablemente, dice el científico principal de SLAC, Zeeshan Ahmed, quien ha trabajado en algunas encarnaciones del experimento BICEP en el Polo Sur.
El primer experimento BICEP desplegó alrededor de 50 “cuernos” de metal mecanizados que detectan pequeñas diferencias en la radiación de microondas, cada uno equipado con sensores térmicos y rejillas de polarización para medir la polarización. La próxima generación, BICEP2, requirió un salto tecnológico: nuevos detectores superconductores que podrían estar más densamente empaquetados en la misma área que los telescopios anteriores. El sucesor Keck Array fue esencialmente varios telescopios BICEP2 en uno.
Para llegar al siguiente nivel, BICEP3, “tuvimos que inventar algunas cosas en el camino”, dice Ahmed.
Con el apoyo de una subvención de investigación y desarrollo dirigidos por el laboratorio de SLAC, Kuo, Ahmed y otros científicos de SLAC desarrollaron una serie de nuevos sistemas y materiales. Entre ellos se encuentran los componentes del detector que son más modulares y más fáciles de reemplazar y las lentes y filtros que son más transparentes a las microondas mientras bloquean más luz infrarroja, lo que ayuda a mantener fríos los detectores de microondas superconductores sensibles a la temperatura.
Esos avances, dice Ahmed, combinados con datos de experimentos anteriores, incluidos BICEP2, Keck, WMAP y Planck, han permitido a los investigadores establecer los límites más estrictos hasta el momento sobre qué tipos de ondas gravitacionales primordiales podrían existir y, por lo tanto, los límites más estrictos hasta ahora en los modelos. de la inflación cósmica.
La busqueda continua
“Los experimentalistas están haciendo un trabajo heroico”, dice la física teórica de Stanford Eva Silverstein, que estudia la inflación cósmica. “Es un gran progreso”.
Los resultados descartan una serie de modelos de inflación, incluidos algunos modelos más antiguos populares y algunas versiones de los más nuevos motivados por la teoría de cuerdas, dice Silverstein. Los hallazgos sugieren que el modelo correcto será un poco más complicado que los descartados, aunque todavía existe una amplia gama de alternativas viables. “No es como si volviéramos a la mesa de dibujo”, dice Silverstein, pero los resultados “nos ayudan a concentrarnos”.
A medida que lleguen más datos de BICEP3 y su sucesor inmediato, el BICEP Array, así como de otros proyectos, los físicos comenzarán a obtener pistas que ayudarán a enfocar su búsqueda de mejores modelos de inflación aún más. Aún así, dice Ahmed, es posible que tengan que esperar hasta CMB-S4, un proyecto que actualmente está siendo revisado en el Departamento de Energía, para obtener respuestas más claras. CMB-S4 implementará el equivalente a 18 experimentos BICEP3, o más, dice Ahmed, y se basará en gran medida en los investigadores y la experiencia del laboratorio del Departamento de Energía, incluidas las ideas desarrolladas para BICEP3. “Tomará una década construir esto”, dice, “pero está empezando a tomar forma”.
Fuente: Universidad de Stanford
