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Arcos de las Salinas, 26 de Septiembre de 2014

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Carlos Hernández-MonteagudoCentro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón

(CEFCA)

CENTRO DE ESTUDIOS DE FÍSICA DEL COSMOS DE ARAGÓN

(CEFCA)

Universidad de Verano

La infancia del Universo: de la Gran Explosión a la Radiación de Fondo Cósmico

de Microondas (parte II)


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ÍNDICE

1. Una mirada más detallada sobre Inflación

2. Las anisotropías en la Radiación de Fondo Cósmico de Microondas: intensidad (temperatura) y polarización

3. Los famosos “modos B” de la polarización del Fondo Cósmico “detectados” por el experimento BICEPS2.

Universidad de Verano


3Universidad de Verano

¿Por qué necesitamos inflación?

1. Para explicar porqué el Universo es tan homogéneo en las grandes escalas (el problema del horizonte)

2. Para explicar porqué el universo tiene tan poca curvatura y ha durado tanto

3. Para explicar porqué no existen partículas exóticas que físicos de partículas piensan que debieran haberse generado durante la Gran Explosión



… cuyos horizontes causales son (o eran) más pequeños!

distancia

Ningún efecto físico se propaga más rápido que la velocidad de la luz

Por tanto, tened presente que, a priori, cada observador sólo es sensible a una esfera de radio R= c . tuniv, con tuniv la edad del Universo!

[Dicho radio se llama horizonte causal]



Einstein entonces recordó que en 1922 había examinado el trabajo de un físico soviético, Alexander Friedmann, quien entonces había propuesto una solución a sus ecuaciones por las cuales el universo se expandía:

Einstein dijo entonces que el haber introducido su constante cosmológica había sido el mayor error de su vida, ¡pues se le había escapado la expansión universal que su propia teoría predecía!

A. Friedmann

Factor de expansiónParte espacial de la métrica



¿Y en qué consiste?

1. Existe un “algo” efectivo en el Universo joven que tiene una presión negativa, de forma que ρ+ 3p < 0 p < -ρ/3. Ese algo es un campo escalar (el más sencillo) que se llama inflatón (Φ)

2. Esta expansión tan acelerada (más rápida que la luz) vacía los horizontes de sucesos de cada observador (y en particular de partículas “raras”), y hace plano el universo …

3. Las pequeñas fluctuaciones del inflatón se convierten en pequeñas fluctuaciones de la distribución de materia en el universo una vez que el inflatón decae en partículas y radiación que vemos en el momento actual …

δφ/φ ~ δρ(x) / ρ



De ahí en adelante se aplica lo que se llama la teoría cosmológica de perturbaciones:


Es posible calcular la evolución de estas perturbaciones, pues la física es relativamente simple si esas fluctuaciones son pequeñas: δρ(x) / ρ < 10-5

Por ejemplo, las anisotropías de la Radiación de Fondo son pequeñas: T0 = 2.7325 K, y las variaciones típicas son del orden de δT≈ 0.00008 K, esto es, δT/T0 ≈ 3 x 10-5



La teoría de Inflación hace tres predicciones muy claras:

1. Las fluctuaciones del inflatón δφ[x] deben ser Gaussianas, esto es, deben venir distribuídas por una función de probabilidad de Gauss.

2. Las fluctuaciones deben observar una relación entre la amplitud de las fluctuaciones y su tamaño: si usamos el vector de onda k=2π/L como algo inversamente proporcional a la longitud de onda / tamaño de la fluctuación δφ entonces tenemos que |δφk |2 ≈ A kn-4 , donde ns ≈ 1 es el índice espectral de las perturbaciones.

3. Las fluctuaciones del inflatón debieran también crear un fondo de ondas gravitatorias, pequeñas arrugas en el espacio tiempo



¿SE PUEDE COMPROBAR SI ESTAS PREDICCIONES DE INFLACIÓN SE VERIFICAN

EN LAS OBSERVACIONES ?



UN RESUMEN DE LA TEORÍA DE PERTURBACIONES QUE EXPLICA LAS

ANISOTROPÍAS DE LA RADIACIÓN DE FONDO CÓSMICO DE MICROONDAS



δφ/φ ~ δρ(x)/ρ

Éstos son los fenómenos físicos más importantes que afectan a la luz en el universo primitivo, cuando la densidad y temperatura es comparable al interior del Sol:




Éstos son los fenómenos físicos más importantes que afectan a la luz en el universo primitivo, cuando la densidad y temperatura es comparable al interior del Sol:

• Efecto Sachs-Wolfe [SW]: la luz tiene que subir/bajar un pozo de potencial gravitatorio que en general es diferente al potencial gravitatorio del observador.




Éstos son los fenómenos físicos más importantes que afectan a la luz en el universo primitivo:


• Efecto Sachs-Wolfe integrado [iSW]: la luz cruza un pozo de potencial gravitatorio que cambia mientras la luz lo está atravesando




Éstos son los fenómenos físicos más importantes que afectan a la INTENSIDAD de la luz en el universo primitivo:


• Efecto Sachs-Wolfe integrado [iSW]: la luz cruza un pozo de potencial gravitatorio que cambia mientras la luz lo está atravesando

• Efecto Doppler: la luz choca con electrones en movimiento, y en el choque cambia de dirección



Todos los fenómenos juntos …δφ/φ ~ δρ(x)/ρ



Pues bien: ¿qué ocurre con la luz cuando el Universo es tan denso y caliente que la luz no puede viajar en línea recta?



Pues bien: ¿qué ocurre con la luz cuando el Universo es tan denso y caliente que la luz no puede viajar en línea recta?

De W.Hu.

La Radiación de Fondo, al tener que salir de los pozos de potencial, tiene que perder algo de energía …



Pero hay pozos de potencial de todos los tamaños …

De W.Hu.



Si bien, las oscilaciones no ocurren siempre, hay un momento en que los electrones se juntan con los protones y la luz queda libre: ÉSA es la época de la recombinación …

De W.Hu.

De W.Hu.Tiempo Tiempo



Si bien, las oscilaciones no ocurren siempre, hay un momento en que los electrones se juntan con los protones y la luz queda libre: ÉSA es la época de la recombinación …

De W.Hu.

De W.Hu.Como mucho, una onda de presión recorre el horizonte de sonido: velocidad del sonido x edad del Universo hasta recombinación



Tamaño angular del horizonte de sonido




La teoría de Inflación hace tres predicciones muy claras:

1. Las fluctuaciones del inflatón δφ[x] deben ser Gaussianas, esto es, deben venir distribuídas por una función de probabilidad de Gauss.

2. Las fluctuaciones deben observar una relación entre la amplitud de las fluctuaciones y su tamaño: si usamos el vector de onda k=2π/L como algo inversamente proporcional a la longitud de onda / tamaño de la fluctuación δφ entonces tenemos que |δφk |2 ≈ A kn-4 , donde ns ≈ 1 es el índice espectral de las perturbaciones.

3. Las fluctuaciones del inflatón debieran también crear un fondo de ondas gravitatorias, pequeñas arrugas en el espacio tiempo



Tamaño angular del horizonte de sonidons = 0.9602 +/- 0.008

δT son Gaussianas


2 predicciones de

Inflación son

satisfechas!!!



Pero además, la luz de la radiación de Fondo oscila de un modo particular : está polarizada



Medidas del satélite Planck



Sin embargo, existen dos tipos de polarización de la Radiación de Fondo, y sólo un tipo, el llamado modo B de polarización, viene causado por ondas gravitatorias ….




En marzo de 2014, el telescopio BICEPS2 hizo el anuncio de haber detectado, por primera vez, el modo B de perturbaciones, confirmando la tercera predicción de Inflación y a la vez detectando directamente ondas gravitatorias …




En marzo de 2014, el telescopio BICEP2 hizo el anuncio de haber detectado, por primera vez, el modo B de perturbaciones, confirmando la tercera predicción de Inflación y a la vez detectando directamente ondas gravitatorias …

Sin embargo, la colaboración europea Planck, ha demostrado recientemente que moléculas de polvo en nuestra Vía Láctea puede llegar a dar un nivel de polarización de modo B que puede haber confundido al equipo de BICEP2 …



Mapa de polarización de polvo usado por el equipo de BICEP2 “copiado” de una presentación de un miembro del equipo de Planck.

Mapa de polarización de polvo publicado por el equipo de Planck en Mayo de 2014



Ahora mismo los equipos de Planck y BICEP2 trabajan juntos para esclarecer

el asunto …



¡Gracias por la atención !

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