Un giro extraño en la luz más antigua del universo podría ser más grande de lo esperado

Un grupo de investigadores exploró un fenómeno cósmico intrigante conocido como birefringencia cósmica, creando un nuevo enfoque para reducir la incertidumbre en sus mediciones. Este avance, publicado en Physical Review Letters, podría mejorar la precisión de las observaciones que investigan la física fundamental.

El estudio representó la primera evaluación cuantitativa de la incertidumbre en el ángulo de birefringencia. Esta medición resulta crucial, ya que podría ofrecer pistas sobre teorías físicas desconocidas que desafían la simetría izquierda-derecha del universo. Además, podría ayudar a los científicos a comprender mejor la materia oscura y la energía oscura.

Un giro sutil en la luz más antigua del universo

El fondo cósmico de microondas, que representa el tenue resplandor dejado por el Big Bang, contiene información valiosa sobre el universo primitivo. Observaciones recientes sugieren que la polarización de esta luz antigua podría experimentar una ligera rotación, un efecto denominado birefringencia cósmica.

Los científicos sospechan que esta rotación sutil podría estar vinculada a partículas elementales hipotéticas llamadas axiones. Determinar con precisión la cantidad de rotación, conocida como el ángulo de birefringencia, resulta esencial para probar posibles nuevas teorías físicas. Los investigadores miden este ángulo analizando la fuerza de una señal denominada correlación CMB EB. Estudios anteriores estimaron que el ángulo de rotación era de aproximadamente 0.3 grados.

Investigando la incertidumbre de la medición

El equipo de investigación, liderado por el candidato a doctorado Fumihiro Naokawa de la Universidad de Tokio, trabajó junto al profesor asociado Toshiya Namikawa del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe. Su análisis examinó cuidadosamente las incertidumbres que afectan las mediciones de la birefringencia cósmica.

Los resultados sugirieron que el ángulo de rotación podría ser en realidad mayor que el valor previamente reportado de aproximadamente 0.3 grados. Naokawa explicó: "¿Puedes decir qué día es solo mirando un reloj? No, no puedes. Para determinar la fecha a partir de las manecillas del reloj, necesitas saber cuántas veces han rotado desde una fecha y hora de referencia específicas. En términos científicos, una situación como esta se describe como tener una ambigüedad de fase de 360 grados."

El investigador añadió que, al igual que un reloj, el CMB que podemos observar está solo en su estado actual. Por lo tanto, ángulos de rotación como 0.3 grados, 180.3 grados y 360.3 grados deberían ser indistinguibles, lo que significa que el ángulo de birefringencia presenta una ambigüedad de fase de 180 grados.

Resolviendo el problema de la ambigüedad de fase

Para abordar este problema, los investigadores desarrollaron una técnica que permite resolver la ambigüedad. Descubrieron que la forma detallada de la señal de correlación EB contiene pistas sobre cuántas veces podría haberse rotado la dirección de polarización.

Al analizar estas sutiles características dentro de la señal de correlación EB, los científicos podrían determinar el verdadero ángulo de rotación y eliminar la ambigüedad.

Mejorando los experimentos de cosmología futuros

Este nuevo método proporciona una herramienta para analizar observaciones de alta precisión de la birefringencia cósmica. Experimentos futuros, como el Simons Observatory y LiteBIRD, podrían utilizar esta técnica para probar nuevos modelos teóricos de física fundamental.

El equipo también descubrió que, al considerar esta incertidumbre de fase, la birefringencia cósmica influye en otra señal en el fondo cósmico de microondas conocida como correlación EE. Los científicos utilizan la correlación EE para estimar la "profundidad óptica" del universo, una cantidad importante para estudiar la reionización cósmica. Debido a esta conexión, los nuevos hallazgos podrían requerir que los investigadores revisen mediciones de profundidad óptica previamente reportadas.

Una nueva forma de confirmar la birefringencia cósmica

En un estudio separado también publicado en Physical Review Letters, Naokawa examinó maneras de reducir los errores introducidos por los telescopios al medir la birefringencia cósmica. Propuso un método para confirmar el efecto observando fuentes astronómicas particulares, incluidas galaxias de radio alimentadas por agujeros negros supermasivos.

Estas observaciones podrían proporcionar otra forma de verificar la birefringencia cósmica y ayudar a los científicos a descubrir información más profunda sobre la naturaleza de la energía oscura.