Astrofísicos de la Universidad de California en San Diego han medido las pequeñas distorsiones gravitatorias en la radiación polarizada desde los inicios del universo y descubrieron que estas antiguas microondas pueden proporcionar una importante prueba cosmológica de la teoría de la relatividad general de Einstein. Estas medidas tienen el potencial de reducir las estimaciones de la masa de las partículas subatómicas conocidas como neutrinos.
La radiación podría incluso proporcionar a los físicos pistas sobre otro problema pendiente de nuestro universo: ¿cómo se distribuye la invisible “materia oscura” y “energía oscura”, que es indetectable con los telescopios modernos?
Los científicos están publicando los detalles de su logro en la edición de junio de la revista Physical Review Letters, la revista más prestigiosa en física, debido a la trascendencia e importancia en su campo, el artículo ha sido catalogado como”sugerencia del editor”.
Los científicos de la UC en San Diego midieron las variaciones en la polarización de las microondas que emanan del Fondo Cósmico de Microondas o CMB de los inicios del universo. Al igual que la luz polarizada (que vibra en una dirección y es producida por la dispersión de la luz visible en la superficie del océano, por ejemplo), respecto al “modo B” polarizado de MICROONDAS, los científicos descubrieron que se produjo cuando la radiación CMB,desde los inicios del universo, dispersó los electrones 380.000 años después del Big Bang, cuando el cosmos se enfrió lo suficiente como para permitir que los protones y los electrones se combinaran en átomos.
Los astrónomos esperaban que la firma única del modo B de polarización del temprano cosmos les permitiría “ver” partes del universo que son invisibles para los telescopios ópticos, ya que la gravedad de las partes más densas del universo tiran de la luz polarizada, desviándola ligeramente durante su viaje de 13,8 mil millones años hasta la Tierra. Gracias a un proceso llamado “lente gravitatoria débil” que distorsiona el patrón de polarización del modo B, los astrónomos esperaban poder mapear regiones del universo llenas de invisible “materia oscura” y “energía oscura”, lo que también les daría una prueba de la relatividad general en escalas cosmológicas.
El descubrimiento reciente confirma ambas corazonadas. Mediante la medición de los datos de polarización de CMB proporcionadas por POLARBEAR, una colaboración de astrónomos que trabajan en un telescopio en la alta altitud del desierto al norte de Chile y específicamente diseñado para detectar la polarización de “modo B”, los astrofísicos de la UC en San Diego descubrieron una lente gravitatoria débil en sus datos que, concluyen, permite a los astrónomos hacer mapas detallados de la estructura del universo, restringir las estimaciones de la masa del neutrino y proporcionar una prueba firme de la relatividad general.
“Esta es la primera vez que hemos hecho este tipo de mediciones a partir de datos de polarización del CMB”, dijo Chang Feng, autor principal del estudio y estudiante graduado de física en la UC San Diego, quien llevó a cabo su estudio con Brian Keating, profesor asociado de física en la universidad y co-líder del experimento POLARBEAR. “Fue la primera medición directa de lente de la polarización de CMB. Y lo asombroso es que la cantidad de lentes que encontramos a través de estos cálculos es consistente con lo que predice la teoría de la relatividad general de Einstein. Así que ahora tenemos una forma de verificar la relatividad general en escalas cosmológicas “.
El experimento POLARBEAR examinó un pequeño cuadrado de 30 grados de una región del cielo para producir mapas de alta resolución de polarización de modo B, lo que permitió al equipo determinar que la amplitud de las fluctuaciones gravitacionales que midieron era consistente con el modelo teórico conocido como modelo cosmológico Lambda Materia Oscura Fría. Otro equipo del grupo de Keating, llamado BICEP2 y que colabora en el Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica, usó un telescopio en el Polo Sur para examinar el modo B de polarización en amplias franjas del cielo. En marzo, este grupo anunció que había encontrado pruebas de una breve y muy rápida expansión del universo primitivo, un proceso llamado inflación.
Una de las preguntas más importantes de la física que se pueden abordar a partir de estos datos es la masa del neutrino de interacción débil, que se creía no poseía, pero que los límites actuales calculan por debajo de 1,5 electron-voltios. Feng dijo que los datos de polarización de modo B en su estudio, a pesar de que está en consonancia con las predicciones de la relatividad general, no son lo suficientemente significativos estadísticamente todavía para hacer cualquier afirmación firme sobre masa de los neutrinos. Pero durante el próximo año, él y Keating tienen la esperanza de analizar datos suficientes de POLARBEAR, y su instrumento sucesor -Simons Array- para proporcionar más certeza sobre el asunto.
“Este estudio es un primer paso hacia el uso de las lentes de polarización como una método para medir la masa de los neutrinos, utilizando todo el universo como un laboratorio”, dijo Feng.
“Con el tiempo vamos a ser capaces de poner suficientes neutrinos en una” escala” útil para pesarlos y medir su masa”, dice Keating. “Con el uso de las herramientas que Chang ha desarrollado, es sólo una cuestión de tiempo que podamos sopesar el neutrino, la única partícula elemental cuya masa es desconocida. Eso sería un logro asombroso para la astronomía, la cosmología y la física misma “.
El estudio fue apoyado por becas de la Fundación Nacional para la Ciencia, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, la Fundación Simons, e Irwin y Joan Jacobs.
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