Planck, no compres sin Thom ni son…

Hoy se han hecho públicos algunos de los resultados de la misión Planck sobre el fondo cósmico de microondas o radiación cósmica de fondo (CBR).

Aquí hemos hecho un resumen de los resultados:

Planck hablando del universo

En el blog de Francis han hablado de ello en dos interesantísimas entradas:

Los datos del telescopio espacial Planck de la ESA sobre el fondo cósmico de microndas

Una explicación para la anomalía del fondo cósmico de microondas observada por Planck

También hay una excelente entrada en el blog Conexión Causal:

¿Qué es la radiación de fondo de microondas?

En esta entrada lo que se pretende es explicar que los datos interesantes que puede ofrecer Planck, aparte de los que ya ha ofrecido que han venido a confirmar la imagen de universo que teníamos con mayor precisión, tardarán un año en estar disponibles.  Estos datos se basan en algo que se conoce como polarización del fondo de microondas. Explicaremos por qué esto es importante y por qué es tan dificil de determinar.

Así que tendremos que esperar un poco más para poder disfrutar de toda la potencia de la misión Planck.

Polarización de la luz

La luz, compuesta de fotones, se puede considerar como un campo electromagnético oscilando y propagándose de forma ondulatoria:

Cuando tenemos una fuente natural de luz generalmente no hay una dirección privilegiada en la que la onda oscile y se propague, esto se llama luz no polarizada. Sin embargo, podemos tener algún tipo de material con el que interactúa la luz de forma que se selecciona un plano de oscilación obteniendo la luz polarizada linealmente:

Uno de los mecanismos que pueden polarizar luz es el conocido como dispersión de Thomson.

En este fenómeno la radiación electromagnética, o un fotón, se encuentran con una partícula cargada (un electrón), esta partícula oscila según la dirección del campo eléctrico de la onda electromagnética (o fotón). Al oscilar, la partícula acelera y vuelve a emitir radiación de la misma frecuencia que la recibida.

El caso es que este fenómeno polariza la luz porque la oscilación de la partícula emite la radiación en el plano correspondiente:

Y esto… ¿qué tiene que ver con la radiación cósmica de fondo?

En determinado momento la energía en el universo era tal que protones y electrones estaban en una sopa neutra pero ellos se comportaban como partículas libres en su seno.  Además teníamos fotones que estaban continuamente dispersándose con estas cargas y por lo tanto no podían salir en línea recta.

Cuando la temperatura del universo bajó se dieron las condiciones para la recombinación de electrones y protones en átomos neutros. Los fotones ya no se dispersan con estos objetos y salen en línea recta desde todas las direcciones. A ese momento se le denomina superficie de última dispersión.

Resulta que justo en la superficie de última dispersión se dieron las condiciones para que se produjeran dispersiones Thomson. Y entonces, aparte de las variaciones de temperatura, en la radiación cósmica de fondo también tenemos que tener señales de la polarización de la luz que salió de esta superficie.

Dado que la distribución de fotones debería de ser la misma en todas las direcciones se pudieron dar condicones para que se produjeran interacciones cuadrupolares. ¿Esto que significa?

• Puede que lleguen dos fotones de la misma energía (temperatura) a una carga libre y se dispersen los dos. El resultado es que no hay polarización en la radiación dispersada:

• Pero puede que lleguen dos fotones de diferente energía (temperatura) en direcciones ortogonales, configuración cuadrupolar, y el resultado será una radiación linealmente polarizada:

La radiación «caliente» y la «fría» vibran cada una en una dirección determinada.

Se sabe que la contribución de la radiación polarizada en la radiación cósmica de fondo contribuye menos del 10%. Por eso es tan difícil observarla ya que cualquier cosa experimental puede enmascarar este efecto. Es por este motivo que los de la misión Planck dicen que necesitaran un año para limpiar los datos y poder hablar de polarización de la radiación de fondo.

La importancia de la polarización

Generalmente cuando se habla de la radiación cósmica de fondo se habla de las fluctuaciones de temperatura.

Pero la evolución de estos datos depende de la expansión del universo, por lo tanto lo que podemos hacer es comparar las predicciones de nuestros modelos con las observaciones.

Con la polarización es diferente, esta se produjo únicamente en la superficie de última dispersión y no ha variado a causa de la expansión del universo. Por lo tanto, observar este detalle de la radiación de fondo es tanto como conocer qué había y cómo se comportaba en ese instante del universo.

Es decir cuando miramos a la polarización de la radiación de fondo estamos viendo justamente con que orientación salió la radiación de la superficie de última dispersión y esa característica no ha cambiado con el tiempo:

Así pues, si logramos aislar esta característica de la radiación de fondo podremos conocer:

1. La epoca de recombinación (eletrones y protones para formar átomos) directamente.
2. Nos ayudará a determinar mejor los parámetros cosmológicos.
3. Esta polarización (algunas de sus componentes) dependen del modo en el que la inflación cósmica tuvo lugar y se detuvo. Por lo tanto tener acceso a esta información nos permitirá discriminar sobre modelos inflacionarios.
4. Las ondas gravitacionales, generadas en la inflación, también influyen sobre la polarización de la radiación de fondo. Así pues estudiar polarización del fondo implica conocer la distribución e influencia de tales ondas. Esto nos permitirá discernir también entre modelos del universo temprano.

Una imagen más completa de la radiación cósmica de fondo combinará tanto las diferencias de temperatura como las polarizaciones:

Tenemos todo un año para ponernos al día con este tema. Tendremos que hablar de modos E y B, de escalares, vectores y tensores, de la influencia de la inflación y las ondas gravitacionales… Pero al menos hoy hemos mostrado una característica importante de la radiación de fondo y su origen.

Nos seguimos leyendo…