Luz polarizada del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) sometida a efectos de lente gravitatoria, además de a la birrefringencia cósmica. En el extremo izquierdo, las líneas blancas muestran el patrón de polarización de la luz del CMB generado en el universo primitivo. Éstas rotan debido a la birrefringencia cósmica, dando como resultado el CMB observado actualmente, representado por las líneas negras de la parte derecha de la imagen. Sin embargo, la trayectoria de la luz está curvada por la distorsión gravitatoria del espacio-tiempo creada por la estructura a gran escala del centro, por lo que las líneas blancas que muestran el patrón de polarización en la parte derecha de la imagen muestran lo que se observa. Crédito: Physical Review D (2023). DOI: 10.1103/PhysRevD.108.063525

Futuras misiones podrán encontrar con mayor precisión indicios de violación de la simetría de paridad en la polarización del fondo cósmico de microondas después de que un par de investigadores hayan conseguido tener en cuenta el efecto de lente gravitatoria, informa un nuevo estudio en Physical Review D, seleccionado como Sugerencia de los Editores.

¿Hasta dónde se extiende el universo? ¿Cuándo y cómo comenzó el universo? La cosmología ha avanzado en la respuesta a estas preguntas aportando pruebas observacionales a los modelos teóricos del universo basados en la física fundamental. En la actualidad, el Modelo Estándar de Cosmología goza de gran aceptación entre los investigadores. Sin embargo, aún no puede explicar cuestiones fundamentales de la cosmología, como la materia oscura y la energía oscura.

En 2020, los datos de polarización del fondo cósmico de microondas (CMB) revelaron un nuevo e interesante fenómeno denominado birrefringencia cósmica. La polarización describe las ondas de luz que oscilan perpendicularmente a la dirección en la que viajan. En general, la dirección del plano de polarización permanece constante, pero puede girar en circunstancias especiales.

Un nuevo análisis de los datos del CMB mostró que el plano de polarización de la luz del CMB puede haber girado ligeramente entre el momento en que se emitió en el universo primitivo y la actualidad. Este fenómeno viola la simetría de paridad y se denomina birrefringencia cósmica.

 Dado que la birrefringencia cósmica es difícil de explicar con las leyes físicas conocidas, existe una gran posibilidad de que detrás de ella haya física aún por descubrir, como las partículas similares al axión (ALP). El descubrimiento de la birrefringencia cósmica podría allanar el camino para desvelar la naturaleza de la materia y la energía oscuras, por lo que las futuras misiones se centran en realizar observaciones más precisas del CMB.

Observatorio Simons en Chile. Crédito: Debra Kellner

Para ello, es importante mejorar la precisión de los cálculos teóricos actuales, pero hasta ahora estos cálculos no han sido lo suficientemente precisos porque no tienen en cuenta las lentes gravitacionales.

Un nuevo estudio realizado por un par de investigadores, dirigidos por Fumihiro Naokawa, estudiante de doctorado del Departamento de Física y Centro de Investigación del Universo Temprano de la Universidad de Tokio, y Toshiya Namikawa, profesor asistente del proyecto del Instituto Kavli para la Física y las Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) y Centro para el Descubrimiento Basado en Datos, establecieron un cálculo teórico de la birrefringencia cósmica que incorpora los efectos de lente gravitacional, y trabajaron en el desarrollo de un código numérico para la birrefringencia cósmica que incluye los efectos de lente gravitacional, que será indispensable para futuros análisis.

En primer lugar, Naokawa y Namikawa derivaron una ecuación analítica que describe cómo el efecto de lente gravitacional cambia la señal de birrefringencia cósmica. Basándose en la ecuación, los investigadores aplicaron un nuevo programa a un código ya existente para calcular la corrección de la lente gravitacional y, a continuación, observaron la diferencia en las señales con y sin la corrección de la lente gravitacional.

Diferencia en la señal de birrefringencia cósmica con y sin efecto de lente gravitacional. Los puntos azules muestran las señales cuando se ignora el efecto de lente gravitacional, y los puntos rojos son las señales cuando se considera el efecto de lente gravitacional. Las barras de error rojas muestran los errores de observación previstos cuando se utilice el Observatorio Simons. La diferencia con y sin lentes gravitacionales no es despreciable. Crédito: Physical Review D (2023). DOI: 10.1103/PhysRevD.108.063525

Como resultado, los investigadores descubrieron que si se ignoran las lentes gravitacionales, la señal de birrefringencia cósmica observada no puede ajustarse bien a la predicción teórica, lo que rechazaría estadísticamente la teoría verdadera.

Además, crearon datos observacionales simulados que se obtendrán en futuras observaciones para ver el efecto de las lentes gravitacionales en la búsqueda de ALP. Descubrieron que si no se tiene en cuenta el efecto de lente gravitacional, habría sesgos sistemáticos estadísticamente significativos en los parámetros del modelo de ALPs estimados a partir de los datos observados, lo que no reflejaría con exactitud el modelo de ALPs.

La herramienta de corrección de lentes gravitacionales desarrollada en este estudio ya se está utilizando actualmente en estudios observacionales, y Naokawa y Namikawa seguirán utilizándola para analizar los datos de futuras misiones.

Más información: Fumihiro Naokawa et al, Gravitational lensing effect on cosmic birefringence, Physical Review D (2023). DOI: 10.1103/PhysRevD.108.063525. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2305.13976


Fuente: Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, The University of Tokyo