Cuando “ver para creer” no es suficiente

Naukas

bicepLa física observacional es la hermana pequeña de la física experimental y de la física teórica. No por ello es menos importante. Apoyada en la física computacional y en la física teórica nos permite descubrir nuevas leyes que rigen nuestro universo. Sus abanderados son la astrofísica y la cosmología, campos en los que no podemos realizar experimentos (salvo mediante analogías físicas cuyo valor suele ser bastante discutible). A veces la “Naturaleza es sutil, pero nunca es perversa”, como diría Albert Einstein (que se definía a sí mismo como agnóstico).

El gran problema de la física observacional es que no basta con “ver para creer”, hay que “mirar desde diferentes prismas”. Toda observación de un nuevo fenómeno debe quedar en cuarentena hasta que sea repetida por otros de forma independiente. Cada observación requiere un análisis teórico detallado de todas las fuentes de error. Pero, la primera observación suele tener una estadística pobre (pocos datos a favor), pues los descubridores quieren que quede constancia de su prioridad ante sus competidores y ser los primeros conlleva riesgos. Además, suele ser obtenida por nuevos instrumentos en la frontera del estado del arte, luego se carece de un conocimiento detallado de los mismos y de sus errores sistemáticos, algo que requiere muchos años de trabajo continuado. Por todo ello las estimaciones de las fuentes de error en las primeras observaciones de un nuevo fenómeno físico suelen ser más optimistas de lo deseable.

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Un buen ejemplo es la gran noticia científica de este año (que quizás acabe siendo el Breakthrough of the Year 2014 de la prestigiosa revista Science). El descubrimiento de los modos B de origen cosmológico en la polarización del fondo cósmico de microondas gracias al telescopio BICEP2 que se encuentra en el Polo Sur [1]. Lo que podría ser la primera observación directa de las ondas gravitacionales que, según los modelos teóricos, se produjeron durante la inflación cósmica en los primeros instantes de la gran explosión (big bang) [2]. Un resultado anunciado a bombo y platillo en una rueda de prensa el pasado 17 de marzo. Un premio Nobel de Física en ciernes y lo que algunos filósofos de la ciencia interpretan como la primera señal firme de la existencia del multiverso.

Según el investigador principal de la colaboración BICEP2, John Kovac (Universidad de Harvard, Cambridge, Massachusetts, EE UU), la señal fue observada en otoño de 2013 al comparar los datos de BICEP1 y BICEP2 [3]. Me permito recordar que BICEP1 observó la polarización del fondo cósmico de microondas en busca de modos B entre enero de 2006 y diciembre de 2008 a dos frecuencias, 100 GHz y 150 GHz, pero con baja resolución angular. No encontró ninguna señal. Mientras que BICEP2 la observó entre enero de 2010 y diciembre de 2012 a una sola frecuencia, 150 GHz, pero con mayor resolución angular. La idea de la colaboración BICEP2 era utilizar BICEP1 para estimar las posibles fuentes de ruido de origen galáctico (no cosmológico).

Como siempre ocurre en las colaboraciones con muchos miembros, parte de ellos eran escépticos con el resultado obtenido. Por ello, antes de publicar una falsa alarma, se comparó la señal observada con los resultados preliminares del Keck Array. También instalado en el Polo Sur, está constituido por cinco detectores tipo BICEP2 que han tomado datos entre 2011 y 2013 a una frecuencia, 150 GHz, pero dos de los cuales fueron adaptados a 100 GHz durante el pasado invierno (verano austral); los resultados a dos frecuencias no se conocerán hasta el próximo año.

Kovac nos contó que todos los escépticos en su colaboración quedaron convencidos sobre el resultado obtenido tras la comparación del resultado de BICEP2 con los datos preliminares de Keck Array (recuerda, a una sola frecuencia) [3]. Por ello tomó la decisión de publicar los resultados de modos B en marzo, sin esperar a los resultados del Keck Array a dos frecuencias. Ni tampoco a los resultados de BICEP3, que será instalada el próximo verano austral (invierno de 2014 a 2015) y observará el cielo con 2560 detectores a 100 GHz entre enero de 2015 y diciembre de 2016.

Muchos físicos pedimos cautela tras el anuncio del 17 de marzo [4]. Hasta que un nuevo telescopio no confirme la señal observada, la observación debe quedar en entredicho. Incluso si Keck Array confirma la señal con dos frecuencias, el método científico en física observacional requiere que una colaboración independiente con un instrumento diseñado de forma independiente confirme la existencia de los modos B de origen cosmológico (como el telescopio espacial Planck de la ESA o los telescopios terrestres como SPTpol, ACTpol o PolarBear).

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El 12 de mayo un bloguero, el físico Adam Falkowski, a.k.a. Jester, autor del blog Résonaances, lanzó un rumor desconcertante [5]. Varios miembros de la colaboración BICEP2 habían filtrado que un nuevo análisis de la señal de modos B indicaba que se trataba de ruido (modos B espurios debidos al polvo galáctico en la ventana de observación). Más aún, el rumor apuntaba a que el propio Kovac daría una nueva rueda de prensa en la que desmentiría el anuncio de marzo. Esto último me hizo sospechar que el rumor era falso [6]. Pero el rumor corrió como el fuego en la hojarasca.

El origen del rumor era la charla que el físico Raphael Flauger (Instituto de Estudio Avanzado de Princeton y Universidad de Nueva York, EE UU) impartió en un workshop el 15 de mayo en Princeton [7]. Su colega Matias Zaldarriaga (Instituto de Estudio Avanzado de Princeton, EE UU) impartió otra charla similar en otro workshop el 17 de mayo en el Instituto Burke (Cincinnati, Ohio, EE UU) [8]. Estos físicos desarrollaron un modelo teórico de la señal observada por BICEP2 que la explicaba gracias al polvo galáctico. Ninguno de los dos (ambos colegas de Kovac) afirmó que el 100% de la señal fuera debida al polvo. Sin embargo, no descartaron que un gran porcentaje así fuera (según la colaboración BICEP2 el polvo explicaba menos del 5% de la señal observada).

La colaboración BICEP eligió la región de cielo más limpia de polvo galáctico según los mapas del fondo cósmico de microondas obtenidos por los telescopios espaciales WMAP de la NASA y Planck de la ESA. La razón es que la radiación cósmica que atraviesa este polvo se puede polarizar con una señal que podría confundirse con los modos B. Al elegir como ventana de observación una región del cielo con tan poco polvo la colaboración BICEP buscaba observar una señal lo más limpia posible. Sin embargo, esta elección esconde una espada de Damocles. Cómo estimar el ruido de fondo debido al polvo galáctico. La señal de los modos B es muy débil e incluso una cantidad de polvo muy pequeña puede polarizar la radiación cósmica produciendo una relación señal/ruido pésima.

La mejor elección posible para estimar el efecto del polvo galáctico en la polarización del fondo cósmico de microondas en la ventana de observación de BICEP es una observación a dos frecuencias diferentes (bastan 100 GHz y 150 GHz). Sin embargo, la resolución angular de BICEP1 (que observó en dos frecuencias) es mucho peor que la de BICEP2 (que observó sólo en una de ellas). Por tanto, estimar la cantidad de polvo galáctico comparando ambas señales es imposible. La única opción es utilizar modelo teóricos (que están basados en extrapolar leyes de potencias).

Los resultados publicados por BICEP2 en marzo estimaron el ruido debido al polvo galáctico utilizando cinco modelos teóricos diferentes desarrollados de forma independiente por sendos grupos de físicos. Yo no soy experto en estos temas, pero a mí me convenció que dichos modelos dieran resultados bastante similares. En el mejor caso, la señal de modos B observada tenía una confianza estadística de siete sigmas (desviaciones típicas) y en el peor caso de sólo cinco sigmas (más que suficiente para convencer a los más escépticos).

Sin embargo, algunos físicos (como Flauger y Zaldarriaga) sospechaban del modelo teórico más pesimista usado por BICEP2, que además era el único que utilizaba datos observacionales sobre la polarización del fondo cósmico de microondas en su ventana de observación. Estos datos del telescopio espacial Planck fueron publicados de forma oficiosa (o preliminar) en una conferencia (ESLAB) el 3 de abril de 2013 [9]. La figura mostraba la fracción aparente de intensidad en polarización respecto a la intensidad total en el fondo cósmico de microondas en todo el cielo medida a la frecuencia de 353 GHz (bien alejada de la región donde se esperan los modos B cosmológicos). Como eran datos preliminares no estaban procesados. Además, en la fracción la intensidad total está en el denominador y es bien conocido que al dividir por un número pequeño, pequeños cambios en dicho número conducen a errores muy grandes en el resultado.

Por lo que parece algún miembro de la colaboración BICEP escaneó la figura obtenida a partir del fichero PDF de las transparencias originales. Flaguer, Zaldarriaga y otros colegas decidieron repetir el proceso de forma independiente. Confirmaron los resultados teóricos obtenidos por BICEP2, pero al estimar el error cometido se encontraron con una sorpresa, era comparable a la señal. Un procedimiento tan burdo (la colaboración Planck no suministró a BICEP2 los datos originales pues aún no los había procesado para su publicación). Quizás el modelo teórico más pesimista utilizado para estimar el ruido había subestimado su magnitud. Pocos hubieran prestado atención a esta cuestión (que Zaldarriaga afirma que le comentó en persona en Kovac antes de que surgiera el rumor) si el destino no nos hubiera reservado otra sorpresa.

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El 5 de mayo, la colaboración Planck publicó el mapa de la polarización del fondo cósmico de microondas en todo el cielo observado a la frecuencia de 353 GHz [10]. Este mapa omite varias regiones del cielo, donde hay poco polvo, porque los errores instrumental y sistemático en dichas regiones son comparables a la señal. La ventana observacional de BICEP está incluida en estas regiones omitidas. Sin embargo, cuando Flauger, Zaldarriaga y sus colegas repitieron su análisis con el nuevo mapa se encontraron con que la polarización debida al polvo galáctico en las regiones visibles en el mapa de Planck es mucho mayor, en algunos lugares casi el doble, que en el mapa preliminar publicado un año antes.

Extrapolando el nuevo resultado observacional de Planck a todo el cielo, incluyendo la ventana de BICEP omitida en dicho mapa, y aplicando el modelo teórico de estimación del polvo más pesimista utilizado por BICEP2, Flauger, Zaldarriaga y sus colegas han sembrado la duda. El polvo galáctico podría explicar toda la señal de modos B observada por BICEP2. O en su defecto, gran parte de la señal, con lo que la confianza estadística en su resultado bajaría de cinco sigmas a menos de dos sigmas. Para los legos, la señal observaría pasaría de ser un descubrimiento a ser sospechosa de ser puro ruido. Sólo ruido. La alfombra roja para el premio Nobel empezaría a ser enrollada para almacenarla para mejor ocasión.

Flauger y Zaldarriaga en sus charlas (que están grabadas en vídeo) afirman en reiteradas ocasiones que su análisis no es riguroso (no puede serlo sin que la colaboración Planck libere los datos que no han sido publicados). Que puede que estén sobreestimando el nivel de ruido y que la señal observada por BICEP2 sea un descubrimiento fiable. Pero lo cierto es que han sembrado una duda que ha llevado a algunos a comparar el resultado de BICEP2 con el fiasco de los neutrinos superlumínicos de OPERA (publicado en septiembre de 2010 y que a principios de 2011 se descubrió que era debido a un imperdonable error).

La publicación del mapa de la polarización del fondo cósmico de microondas en todo el cielo observado por Planck no se publicará hasta octubre de 2014, como muy pronto. Hay rumores de que los análisis están siendo más complicados de lo esperado (si la señal de modos B fuera tan intensa como predice BICEP2 no debería haber tantos problemas). Otros instrumentos están acelerando los análisis y podrían publicar resultados al respecto a finales de este año o a principios del próximo. La física observacional es apasionante, pero hay que tener paciencia.

Antes de acabar, me gustaría indicar que la reciente crítica de Paul Steinhardt (Universidad de Princeton) en Nature [11] ha de ser tomada con alfileres. Siendo uno de los padres de la teoría de la inflación puede parecer que su opinión es importante. Sin embargo, no debemos olvidar que en sus trabajos más recientes reniega de la inflación y que acogió que muy serias dudas el resultado de BICEP2 en marzo. Hoy en día pocos físicos dudan de la inflación. La crítica de un experto como Steinhardt es necesaria, pero en cuanto a los modos B está muy sesgada.

En resumen, en mi opinión, nos encontramos a día de hoy exactamente en el mismo lugar que el 18 de marzo. Hasta que los modos B de origen cosmológico sean observados de nuevo, o sean refutados, la situación no ha cambiado ni un ápice. En física observacional no basta con “ver para creer”.

Esta anotación ha sido realizada por Francisco R Villatoro (@emulenews) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

Referencias

[1] BICEP2 Collaboration, “BICEP2 I: Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales,” arXiv:1403.3985 [astro-ph.CO], 17 Mar 2014.

[2] Ron Cowen, “Telescope captures view of gravitational waves,” Nature News, 17 Mar 2014. DOI:10.1038/507281a

[3] Ron Cowen, “How astronomers saw gravitational waves from the Big Bang. Lead discoverer John Kovac describes his work at the BICEP2 radio telescope and how his career took him there,” Nature News Q&A, 17 March 2014. DOI:10.1038/nature.2014.14885

[4] Francisco R. Villatoro, “Un poco de sal a la observación de BICEP2,” La Ciencia de la Mula Francis, 18 Marzo 2014. http://francis.naukas.com/?p=29158

[5] Jester, “Is BICEP wrong?,” Résoonances, 12 May 2014. http://goo.gl/0GizTk

[6] Francisco R. Villatoro, “Rumores en contra del resultado de BICEP2 sobre la inflación cósmica,” La Ciencia de la Mula Francis, 13 Mayo 2014. http://francis.naukas.com/?p=29555

[7] Raphael Flauger (IAS & NYU), “Towards an Understanding of Foregrounds in the BICEP2 Region,” Princeton Center for Theoretical Science, Searching for Simplicity Workshop, May 15, 2014 [Slides PDF http://goo.gl/kBeMYI, Video http://goo.gl/DGuoxj]

[8] Matias Zaldarriaga (IAS, Princeton), “Foregrounds in the BICEP2 Region,” Burke Institute Workshop on Primordial Gravitational Waves and Cosmology, May 17, 2014 [Slides PDF http://goo.gl/WjQBRq; Video http://goo.gl/OnSSg6]

[9] J.-Ph. Bernard (Planck Collaboration), “The Planck Dust Polarization sky,” ESLAB 2013, 3 Abr 2013. http://goo.gl/8XDAcZ

[10] Planck Collaboration, “Planck intermediate results. XIX. An overview of the polarized thermal emission from Galactic dust,” arXiv:1405.0871 [astro-ph.GA], 5 May 2014.

[11] Paul Steinhardt , “Big Bang blunder bursts the multiverse bubble,” News, Nature 510: 9, 03 Jun 2014. DOI: 10.1038/510009a

10 comentarios

  • Avatar de Tom Wood Gonzalez

    Lo peor no es por donde van; sino lo que se saltan para llegar a esa montaña de modelos, especulaciones y descubrimientos.
    Lo primero que debe responder la física del CMB; es como se puede diferenciar un fotón CMB, de un fotón de cualquier otro plano, que tengan la misma frecuencia; si esas partículas cuánticas son indistinguibles.
    Si no puedes responder a eso primero, toda la física que montes después; no tiene base científica.
    Y lo de los modos B, también a partir de ese razonamiento y otros; se cae por su propio peso. Pero bueno, los metafísicos-matemáticos usan la física hasta donde les he conveniente, sin interesarle la violación de sus principios básicos. Cuando la situación se tranca, meten a su modo metafísico-matemático, la lógica formal (la matemática) y así es que arman sus guiones cinematográfico increibles. Sin darse cuenta que la física no es sólo lógica formal y que sin una buena lógica no formal; se pierde el sentido común físico y su conexión con la naturaleza real de las cosas físicas. Aunque lógica formal, es necesaria para optimizar las grandes acumulaciones de experiencias físicas, para hacer síntesis física, no es muy esperanzador, cuando fisicos viejos, se pierden en estas sutilezas. Lo bueno de todo eso es que al cabo de muchos años, los científicos respetuosos de la física tradicional, van encontrando las fisuras físicas( http://diccionario.reverso.net/ingles-espanol/loophole). Y lo malo, es la cantidad de recursos materiales y hombres/horas que se pierden en esas ideas.
    http://edocet.naukas.com/2014/03/21/la-pequena-historia-contada-de-los-modos-b/#comment-1454

  • […] La física observacional es la hermana pequeña de la física experimental y de la física teórica. No por ello es menos importante. Apoyada en la física computacional y en la física teórica nos permite descubrir nuevas leyes que rigen nuestro […]

  • […] Escribiendo en el Cuaderno de Cultura Científica Francis hace un repaso al estado de la cuestión de qué observó BICEP 2 en Cuando “ver para creer” no es suficiente. […]

  • Avatar de georgios

    Tiene razón el sr. Wood González. Hay demasiada fantasía peudocientífica, producida por un desaforado y descontrolado uso de modelos matemáticos, alejado de la realidad. Aunque se sujeten a las más estrictas exigencias de la lógica, en buena parte nada tiene que ver con el Universo real. Por ese motivo se terminan buscando entidades imposibles, porque son «necesarios» para remendar los modelos teóricos. Es importante, en relación con el tema del artículo, comprender que no sirve este método sincrético de «arreglar» cualquier fenómeno observado, con la finalidad de integrarlo en un modelo imaginario, para encontrar esas ondas gravitatorias. Y ello, por dos motivos: Primero, es un método inútil para aplicarlo a ese fenómeno, y segundo y más importante, no existen las ondas gravitaciones, porque la gravedad no es una interacción.

  • Avatar de georgios

    Ahora tengo que pedir disculpas. Habéis tardado tanto que pensé que habíais mandado mi escrito al limbo del olvido. Me he equivocado y lo lamento.

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