El método científico, la energía oscura y la importancia de la quintaesencia

El estudio de diferentes modelos es beneficioso para la salud de la ciencia empírica, que no puede demostrar la veracidad de una hipótesis, solo refutar sus alternativas. Más aún, estas alternativas permiten identificar las hipótesis que se asumen de forma implícita durante el análisis de los datos experimentales y diseñar estrategias para su contrastación. El Modelo Cosmológico Estándar asume que la aceleración de la expansión del universo es debida a la adición de una constante cosmológica a las ecuaciones de la gravedad de Einstein para un universo copernicano (espacialmente homogéneo e isótropo a grandes escalas). Sin embargo, la teoría de la relatividad general no ha sido validada de forma independiente en las escalas en las que sucede la aceleración del universo, por ello existen alternativas teóricas. Nos lo recuerda con cierto detalle Miguel Zumalacárregui Pérez, “Probing the foundations of the standard cosmological model,” Tesis Doctoral, IFT/UAM, Oct. 2012.

Hay varias propuestas para detectar desviaciones respecto a la relatividad general a gran escala, destacando el proyecto Euclides de la ESA (Euclid Spectroscopic Survey), como nos contó Elisabetta Majerotto, “Probing deviations from General Relativity with the Euclid spectroscopic survey,” Invisibles pre-meeting, Madrid, 28th-29th of March 2012 [slides]; Elisabetta Majerotto et al., “Probing deviations from General Relativity with the Euclid spectroscopic survey,” arXiv:1205.6215. La información técnica sobre la misión de la ESA en ”Euclid definition study report,” Red Book, Sep 2011.

Hoy en día se pueden descartar con bastante seguridad los modelos inhomogéneos no copernicanos, en los que nuestra galaxia está situada en un lugar especial del universo, cerca del centro de una región “vacía” (con menor densidad de materia), pues no son compatibles con todas las observaciones cosmológicas (salvo si se introducen ajustes muy finos). Ya lo comentamos en este blog en “La energía oscura del universo “vence” a la teoría del vacío cósmico local,” feb. 2009; y en”¿Realmente la expansión del universo se está acelerando? (o nunca hay que descartar otras hipótesis),” marzo 2008.

Una posibilidad aún viva son los modelos de quintaesencia, en los que se se incorpora un campo escalar a la ecuaciones de Einstein, compatible con la covariancia general de la teoría. El campo escalar contribuye a la expansión del universo mediante su potencial, que actúa como una constante cosmológica efectiva, por lo que la quintaesencia se asemeja mucho a una constante cosmológica y es muy difícil distinguir entre ambas posibilidades. Por supuesto, el campo escalar puede afectar a la formación de estructuras a gran escala en el universo, aunque se pueden ajustar sus parámetros de forma adecuada para casar con las observaciones. También hay variantes en las que el campo escalar no se acopla con la materia, solo a la curvatura, gracias a introducir ciertas auto-interacciones no lineales en el campo, lo que minimiza este problema. Sin embargo, se espera que los datos precisión sobre el fondo cósmico de microondas obtenidos por el satélite Planck puedan inferir un duro golpe a la quintaesencia en 2013, o por el contrario revitalizarla.

La tesis doctoral de Miguel Zumalacárregui Pérez me gusta porque destaca la gran importancia que tiene analizar todos los datos cosmológicos disponibles utilizando modelos alternativos al Modelo Cosmológico Estándar, ya que permite validar sus fundamentos y explorar sus límites de validez. “El estudio de teorías alternativas aporta ejemplos que permiten entender mejor el paradigma convencional, enriqueciendo el conocimiento que se tiene sobre él y las técnicas disponibles para su análisis.”

Los resultados de la misión WMAP de la NASA tras 9 años de observación

El satélite WMAP (Wilkinson MAP) de la NASA estudia el fondo cósmico de microondas (CMB) desde hace 9 años. Los resultados para un ajuste al modelo de consenso ΛCDM con 6 parámetros libres gracias WMAP-9 (combinado con eCMB+BAO+H0) son: el (4,628 ± 0,093)%  del universo es materia bariónica; el (24,02 ± 0,88)% del universo es materia oscura (fría); el (71,35 ± 0,96)% es energía oscura (supuesta resultado de una constante cosmológica, o sea, con ω=−1); el índice espectral escalar es 0,9608 ± 0,0080; el universo es plano Ωk = −0,0031 ± 0,0039, con |Ωk| < 0,0094 al 95% CL (suponiendo Ωk > 0, se obtiene Ωk < 0,0062 al 95% CL). Todas las anisotropías observadas son gaussianas, como predice la teoría de la inflación. El número de neutrinos es 3,26 ± 0,35  3,84 ± 0,40 (valor corregido el 30 de enero de 2013 porque había un error en el análisis), con una masa total < 0,44 eV al 95% CL. En cuanto a la ecuación de estado de la materia oscura se obtiene −1,162 < ω < −0,983 (compatible con una constante cosmológica). La edad del universo es de (13,772 ± 0,059) Gyr (miles de millones de años). La constante de Hubble es (69,32 ± 0,80) km/s/Mpc. Los interesados en más detalles pueden consultar la tabla 17 de la página 128 del artículo técnico de C. L. Bennett et al., “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results,” arXiv:1212.5225, 20 Dec 2012 [más información]; G. Hinshaw et al., “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results,” arXiv:1212.5226, 20 Dec 2012.

Breve homenaje a Pedro F. González Díaz y su “energía fantasma”

“Los poetas verdaderos tienen pasaporte para viajar por el tiempo, hacia delante o hacia atrás, y visitar todas las épocas pasadas y futuras, siguiendo posiblemente los mismos cánones que las partículas más elementales y los campos de fuerza …” (Pedro F. González-Díaz).

El 7 de julio de 2012 falleció Pedro Félix González Díaz, profesor de Investigación en el Instituto de Física Fundamental (IFF) del CSIC. Licenciado en Ciencias Químicas en la Universidad de Granada en 1970, obtuvo el doctorado en Ciencias en la Universidad Complutense de Madrid en 1974. Ingresó en la plantilla científica del Instituto de Óptica del CSIC en 1975, donde derivó su investigación hacia la Física Teórica, con énfasis en la Relatividad General. En 1983 dedujo una cota entre la entropía y el área de los sistemas cerrados, que hoy en día se conoce como la cota holográfica; Pedro generalizó la relación de Jacob D. Bekenstein S/E≤2πR de 1981 [1], para deducir [2] la cota holográfica general S/A≤1/4, cuya igualdad se cumple para los agujeros negros, S=A/4; como suele ocurrir muchas veces con logros de físicos españoles, esta cota holográfica es más conocida como cota holográfica de Bousso, tras su redescubrimiento por Raphael Bousso [3], quien citó a Bekenstein [1], olvidando a González-Díaz [2]. En 1992 se trasladó al Instituto de Matemáticas y Física Fundamental (IMAFF), precursor del IFF, donde en concentró en la gravedad cuántica, y la cosmología clásica y cuántica. En la última década se concentró en el problema de la energía oscura, la energía fantasma y la hipótesis del multiverso.

Los artículos más citados de Pedro [4-9], todos de su “año milagroso” 2004, se centran en su teoría cosmológica basada en la llamada “energía fantasma,” un nombre sugerente donde los haya. La expansión acelerada del universo puede interpretarse utilizando la llamada constante cosmológica, la energía de vacío, en cuyo caso la expansión acelerada es eterna. La ecuación de estado para la energía oscura en este modelo es ω=p/ρ=−1. Los resultados experimentales actuales (WMAP7+BAO+SPT+SN+H0) apuntan a que la ecuación de estado podría ser  ω≠−1, aunque próxima a este valor (el satélite Planck lo confirmará o refutará en marzo de 2013). En dicho caso, la energía oscura no se puede explicar con una constante cosmológica. Si  ω>−1, la energía oscura sería la quintaesencia, y si  ω<−1, la energía oscura sería la llamada “energía fantasma” (porque sería una energía de vacío para la que la suma de la densidad de energía más la presión daría un valor negativo (p+ρ<0) y, por ello, permitiría la existencia de objetos “patológicos” en el universo, como los agujeros de gusano). La ventaja del modelo cosmológico con “energía fantasma” es que puede explicar tanto la energía oscura como la materia oscura. El gran problema de este modelo cosmológico es que los datos experimentales actuales  (WMAP7+BAO+SPT+SN+H0) apuntan a un valor  ω>−1, aunque próximo a ω=−1. El propio Pedro nos contaba su modelo en “El colapso final del Universo no es inevitable gracias a la oscuridad del cosmos,” Tendencias Científicas, 21 junio 2003.

Lo que más me gusta de los artículos de Pedro es lo sugerente de los títulos de sus artículos: “¿Está el juicio final a la vuelta de la esquina?” [1]; “No hay que tenerle miedo a la “energía fantasma” [2]; “Termodinámica fantasma” [3]; “Futuro cósmico intemporal” [8]; “Energía oscura sin energía oscura” [10]; y estos son solo  algunos ejemplos.

Referencias

[1] Jacob D. Bekenstein, “Universal upper bound on the entropy-to-energy ratio for bounded systems,” Phys. Rev. D 23: 287–298, 1981.

[2] Pedro F. González-Díaz, “Bounds on the entropy,” Phys. Rev. D 27: 3042–3043, 1983.

[3] Raphel Bousso, “A covariant entropy conjecture,” Journal of High Energy Physics JHEP07: 004, 1999 [arXiv:hep-th/9905177].

[4] Pedro F. González-Díaz, “K-essential phantom energy: doomsday around the corner?,” Physics Letters B 586: 1-4, 2004 [arXiv:astro-ph/0312579].

[5] Pedro F. González-Díaz, “You need not be afraid of phantom energy,” Physical Review D 68: 021303, 2003 [arXiv:astro-ph/0305559].

[6] Pedro F. González-Díaz, Carmen L. Sigüenza,”Phantom thermodynamics,” Nuclear Physics B 697: 363-386, 2004 [arXiv: astro-ph/0407421].

[7] Pedro F. González-Díaz, “Axion phantom energy,” Physical Review D 69: 063522, 2004 [arXiv:hep-th/0401082].

[8] Pedro F. González-Díaz, “Achronal cosmic future,” Physical Review Letters 93: 071301, 2004 [arXiv:astro-ph/0404045].

[9] Pedro F. González-Díaz, José A. Jiménez-Madrid, “Phantom inflation and the “Big Trip”,” Physics Letters B 596: 16-25, 2004 [arXiv:hep-th/0406261].

[10] Pedro F. González-Díaz, ”Dark energy without dark energy,” AIP Conf. Proc. 878: 227-231, 2006 [arXiv:hep-th/0608204].

La evolución de la energía oscura

Me ha gustado esta figura que ilustra muy bien que la energía oscura es un fenómeno “reciente” en la historia del universo. La energía oscura, la causa “desconocida” de la reciente expansión acelerada del universo, fue descubierta gracias a las supernovas de tipo Ia, pero hoy en día ha sido observada (confirmada) por muchos otros medios. Se trata de un fenómeno “reciente” ya que no se observa para corrimientos al rojo z>2. En la época de la recombinación, cuando el universo tenía unos 375.000 años y “cristalizó” el fondo cósmico de microondas, no había energía oscura en el universo. ¿Qué puede ser la energía oscura? La hipótesis más socorrida es que está asociada al vacío, a una especie de “antigravedad” asociada al vacío que se modela mediante una constante cosmológica como fuente, es decir, colocada en el miembro derecho de la ecuación de Einstein, en lugar de en el izquierdo, donde la colocó Einstein para lograr un universo estático. La NASA tiene un programa bastante completo para el estudio de la materia oscura y de la energía oscura, como nos cuenta Neil Gehrels, “NASA’s Dark Matter & Dark Energy Program,” NASA/GSFC, SpacePart12, Nov. 5, 2012 [slides, vídeo CDS]. Por cierto, el vídeo de la charla (media hora) está bastante bien y se centra en el futuro, tanto JWST como WFIRST.

El Telescopio del Polo Sur (SPT) confirma con 5,4 sigmas la existencia de la energía oscura

¿Qué nos deparará el fondo cósmico de microondas (CMB) observado por el satélite Planck de la ESA? Por ahora, nos tenemos que conformar con los resultados de SPT (South Pole Telescope) que ha estudiado los picos acústicos del CMB entre 650 < l < 3000 (mucho más allá de WMAP7). La combinación WMAP7 + SPT muestra la existencia de la energía oscura con 5,4 sigmas de confianza estadística. Además, se confirma el modelo ΛCDM y se restringen fuertemente sus posibles extensiones. El efecto de lente gravitatoria del CMB se confirma a 8,1 sigmas con una amplitud de 0,86 ± 0,30 al 95% C.L., consistente con el modelo ΛCDM. El universo es plano con una curvatura media de 0,003 ± 0,018. El cociente entre perturbaciones tensoriales y escalares medido por WMAP7+SPT es r < 0,18 al 95% C.L. (recuerda que Planck llegará a r < 0,01 y que r=0 significa que no hay fondo cósmico de ondas gravitatorias). En mi opinión, lo más interesante se muestra en la figura que abre esta entrada; la línea discontinua es la predicción para el CMB y la línea continua añade las contribuciones del efecto Sunyaev-Zel’dovich (SZ) debido a la interacción del CMB con las grandes estructuras del universo; el acuerdo es espectacular (de hecho, para la región 2200 < l < 3000 se cree que la precisión de SPT será mayor que la de Planck). Una demostración más de que el modelo ΛCDM funciona mucho mejor de lo esperado. El artículo técnico es K. T. Story et al., “A Measurement of the Cosmic Microwave Background Damping Tail from the 2500-square-degree SPT-SZ survey,” arXiv:1210.7231, Subm. 26 Oct 2012. Recomiendo leer a Sean Carroll, “South Pole Telescope and CMB Constraints,” Cosmic Variance, 5 Nov 2012.

La energía oscura y la imposibilidad de conocer el destino final del universo

Los autores de libros de divulgación se suelen llenar la boca hablando del futuro del universo. La filosofía tradicional en Relatividad General es que la geometría determina el destino del universo. Sin embargo, la existencia de una constante cosmológica (también llamada energía oscura) implica que la correspondencia uno-a-uno entre la geometría y la evolución del universo se ha perdido para siempre. La única manera de conocer el futuro del universo es descubrir cómo evoluciona la energía oscura y para ello necesitamos una explicación de su origen que nos permita saber cómo evolucionará en el futuro. La existencia de la energía oscura implica que no existen observaciones cosmológicas que se puedan realizar en la actualidad que nos permitan decidir sin ambiguedad cuál será el destino final del universo. Nos lo contaron Lawrence M. Krauss y Michael S. Turner, “Geometry and Destiny,” Gen. Rel. Grav. 31: 1453-1459, 1999 (gratis en ArXiv).

En la actualidad creemos que la ecuación de estado de la energía oscura es p = ω ρ, donde p es la presión, ρ la densidad y ω=–1. El problema es que pequeñas variaciones en el valor de ω, incluso tan pequeñas como una parte en mil (más allá de lo que podremos medir en las próximas décadas), acabarán dominando el futuro del universo a largo plazo. La única solución al problema será obtener una explicación microfísica al origen de la constante cosmológica capaz de predecir su evolución futura.

Premio Nobel de Física 2011: La energía oscura y la expansión acelerada del espaciotiempo

Ya tocaba y por eso, casi he acertado. El Nobel de Física ha recaído en el descubrimiento de la expansión acelerada del universo. La mitad del premio ha sido para Saul Perlmutter (Supernova Cosmology Project, LBNL y Universidad de California en Berkeley), nacido en 1959, y la otra mitad a partes iguales para Brian P. Schmidt (High-z Supernova Search Team, Universidad Nacional de Australia), nacido en 1967, y Adam G. Riess (High-z Supernova Search Team, Universidad de Johns Hopkins), nacido en 1969. Los tres laureados son norteamericanos. Mi última predicción de hace dos días era “Mi última apuesta es para Adam G. Riess (Universidad Johns Hopkins, Maryland) y Saul Perlmutter (Universidad de California) por el descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando (Thomson Reuters los nominó en 2010). Pero ahora que lo pienso, quizás sean candidatos más firmes el año que viene, 2011, tras la publicación de los primeros datos del satélite Planck en marzo del año próximo.” Me he equivocado en esto último, les han dado el Nobel este año, sin esperar a la publicación de los primeros resultados del satélite Planck sobre el fondo cósmico de microondas y la energía oscura. “Written in the stars,” Information for the public. “Scientific Background,” Information for scientists.

Nadie sabe lo que es la energía oscura. Pero en 1998 se descubrió que algo está acelerando la expansión cósmica y a ese algo se le ha bautizado como energía oscura. Los dos grupos que han obtenido el Nobel utilizando supernovas de tipo Ia como candelas para medir grandes distancias en el universo. Sumando los resultados de ambos equipos se estudiaron unas 50 supernovas cuya luminosidad era más débil de la esperada según los modelos teóricos, por alguna razón parecía que estaban más lejos de lo esperado. La explicación más razonable era que la expansión del universo se estaba acelerando. Desde 1998 gran número de estudios cosmológicos han verificado la hipótesis de la energía oscura, que parece una hipótesis robusta, aunque nadie sepa realmente qué es.

Más en este blog sobre este apasionante tema: “El enigma de la energía oscura,” 4 enero 2011; “Las supernovas Ia son candelas estándar para medir distancias mucho más robustas de lo que se pensaba,” 30 junio 2010; “El problema de la energía oscura y el origen de las supernovas de tipo Ia,” 18 febrero 2010; “Energía oscura para torpes (o dark energy for dummies),” 23 septiembre 2009; “Espectaculares simulaciones de la explosión de una supernova tipo Ia,” 19 agosto 2008.

En este blog también nos hemos eco de opiniones en contra de la existencia de la energía oscura: “Nuevos datos de supernovas Ia indican que la energía oscura podría variar con el tiempo,” 13 abril 2009; “La gravedad cuántica como solución para la materia oscura y la energía oscura,” 24 junio 2009; “Nueva solución de las ecuaciones de Einstein explica la aceleración del universo sin necesidad de energía oscura,” 18 agosto 2009; “La energía oscura como resultado de las ondas gravitatorias de la inflación primordial,” 11 septiembre 2009; “El secreto de la energía oscura podría estar en el Modelo Estándar escondido tras el “fantasma de Veneziano”,” 17 septiembre 2009; “Se publica un artículo que contradice la evidencia de materia y energía oscuras en los datos de WMAP-5,” 18 junio 2010.

El año en el que la teoría del big bang estuvo a punto de morir

He recordado el año 1995 y el famoso editorial de John Maddox que ponía entre las cuerdas a la teoría del big bang (o de la gran explosión), tras leer el reciente artículo de Pallab Ghosh, “LHC results put supersymmetry theory ‘on the spot’,” BBC News, 27 August 2011, y ojear la charla de Hitoshi Murayama, “Why do SUSY in 2011?,” SUSY 11, 28-Aug-2011. El artículo en BBC News afirma que la supersimetría está pasando por malos momentos debido a los resultados recientes del LHC en el CERN y que los físicos más jóvenes se están decantando por otras teorías (“younger theoretical physicists are beginning to develop completely novel ideas because they believe supersymmetry to be “old hat”,” según Joseph Lykken del Fermilab). Quizás los lectores más jóvenes de este blog no se acuerden y convenga recordarles la historia.

John Maddox (al que dediqué un obituario en este blog, “John Maddox, Nature, y la mula Francis,” 15 abril 2009), el archifamoso editor de la revista Nature, tenía la buena costumbre de escribir unos editoriales que hicieron historia (y que a mí me gustaba mucho leer). Los más jóvenes quizás solo lo conocerán por su libro “Lo que queda por descubrir: una incursión en los problemas aún no resueltos por la ciencia, desde el origen de la vida hasta el futuro de la humanidad,” Debate, Madrid 1999 (si no conoces el libro, merece la pena).

En “Big Bang not yet dead but in decline,” Nature 377: 99, 14 September 1995, Maddox nos hablaba del artículo de N.R. Tanvir, T. Shanks, H.C. Ferguson, D.R.T. Robinson, “Determination of the Hubble constant from observations of Cepheid variables in the galaxy M96,” Nature 377: 27-31, 07 September 1995. Medidas obtenidas por el Telescopio Espacial Hubble en 1995 indicaban que había estrellas más viejas que el propio universo. La edad del universo se estimaba utilizando la constante de Hubble y la teoría de la gran explosión. El artículo de Tanvir et al. afirmaba que la constante de Hubble era H=69 ± 8 km/s/Mpc (un valor cercano al actual) pero que utilizando la teoría de la gran explosión (sin término de constante cosmológica) conducía a una valor de unos 10 mil millones de años para la edad del universo. Los modelos estelares indicaban que las estrellas más viejas tenían edades mayores de 13 mil millones de años. Como es obvio es imposible que el universo sea más joven que los objetos que contiene, por tanto la conclusión obvia es que la teoría de la gran explosión era incorrecta. Una terrible crisis para la cosmología que no resolvió hasta 1998, cuando el descubrimiento de la aceleración de la expansión cósmica gracias a las supernovas Ia resucitaron a la teoría de la gran explosión gracias a la existencia de la energía oscura. Las medidas más precisas de la edad del universo cuando se incluye el término de constante cosmológica indicaron que su edad era de unos 14 mil millones de años (gracias a WMAP ahora sabemos que es de unos 13,7 mil millones de años).

Ahora que alguna gente habla de que la supersimetría está a punto de morir no es mal momento para recordar que otras teorías “razonables” también han pasado épocas malas y han resurgido cual ave fenix con más fuerza y más energía.

El enigma de la energía oscura

Quería titular la entrada “El conundro de la energía oscura” pero como sé que a muchos no os gustan los “palabros” que pululan por este blog, he preferido una traducción más correcta del término anglófono “conundrum.” Aún así no me he podido resistir a comentarlo.

¿Qué es la energía oscura? Dices mientras clavas en mi pupila tu pupila azabache. ¡Qué es la energía oscura! ¿Y tú me lo preguntas? La energía oscura es parte de tí.

En la teoría de la gravedad de Newton la única fuente de la gravedad es la masa. La equivalencia entre masa y energía en relatividad (E=mc²) nos lleva a pensar que las únicas fuentes de gravedad en la teoría de Einstein son la masa y la energía. No es así. La presión también puede ser fuente de gravedad. Imaginar una masa negativa o una energía negativa parece imposible. Sin embargo, una presión negativa parece comprensible. La energía oscura corresponde a la presión negativa del vacío sobre el espaciotiempo, presión negativa que genera antigravitación o repulsión gravitatoria. La teoría de Einstein permite que la presión sea fuente de gravedad porque forma parte del tensor de esfuerzo-energía completo, con todas sus componentes, la fuente de la gravedad relativista. Para una fluido perfecto la presión es fuente de gravedad ya que el tensor de esfuerzo-energía toma la forma

donde es la presión, es la densidad de la materia, es la (tetra-)velocidad unitaria, tal que (he tomado la velocidad de la luz ). En la teoría de Newton de la gravedad el potencial gravitatorio para un fluido perfecto cumple con la ecuación de Poisson con la densidad de materia como fuente,

donde  es la constante de gravitación universal de Newton. Para velocidades bajas la teoría de Einstein se reduce a la teoría de Newton y toma la forma

(ecuación obtenida por primera vez por el italiano Tullio Levi-Civita). Esta ecuación muestra que la fuente de campo gravitatorio para un fluido perfecto es la combinación . El término de constante cosmológica es muy pequeño y despreciable. Para un gas de fotones, partículas sin masa que se mueven a la velocidad de la luz con una energía dada, se tiene que , con lo que la teoría de la relatividad predice una fuerza gravitatoria con un valor doble del predicho por la teoría newtoniana.

Muchas veces se asocia la energía oscura a la constante cosmológica, el término Λ, que corresponde a una densidad de energía constante que reside en el vacío. Esta idea resulta “extraña” ya que cuando el espaciotiempo se expande no es fácil explicar por qué la constante cosmológica permanece constante. Para que así ocurra, debe haber un término que compense sus cambios exactamente. El término más natural es la presión negativa del vacío. Esta presión negativa ejerce una fuerza repulsiva que acelera la expansión del universo. Pero si tenemos que introducir una presión negativa para explicar el origen de la energía oscura gracias a una constante cosmológica, por qué no consideramos que esta constante es nula y que existe alguna fuente de presión negativa asociada al vacío. Parece obvio, pero no es tan fácil. La fuente de presión negativa debe ser dinámica y llevaría a una evolución de la energía oscura que provocaría variaciones de la tasa de expansión del universo.

La energía oscura o la aceleración de la expansión cósmia es uno de los enigmas más importantes no solo en cosmología sino también en física teórica. Sin una teoría que la explique nuestro único recurso es el experimento. La evidencia de la energía oscura no solo se limita a las supernovas Ia y al fondo cósmico de microondas, el modelo cosmológico de consenso con energía oscura recibe confirmación cada vez que se le pone a prueba. En el año 2010, Schrabback y sus colegas estudiaron la región del universo continua más grande estudiada por el telescopio espacial Hubble, el campo de fondo COSMOS (Cosmic Evolution Survey) que contiene unas 400.000 galaxias, buscando lentes gravitatorias débiles y confirmaron la aceleración de la expansión cósmica: el (75 ± 8) % del universo es energía oscura, con una ecuación de estado ω=p/ρ<-0’41 (90% CL), como nos contó Ana Lopes, “Astrophysics: Cosmic acceleration confirmed,” News and Views, Nature 464: 694, 1 April 2010, quien se hizo eco del artículo técnico de Tim Schrabback et al., “Evidence for the accelerated expansion of the Universe from weak lensing tomography with COSMOS,” Accepted in Astronomy & Astrophysics (ArXiv, 24 Mar 2010).

Cada año son más los resultados que confirman la existencia de la energía oscura y cada año es más difícil proponer modelos alternativos al modelo cosmológico de consenso. El año clave será 2012 cuando se publiquen los primeros datos del análisis del fondo cósmico de microondas por parte del satélite Planck de la ESA. Si se confirman las expectativas nos ofrecerá información sobre la época de la inflación cósmica que será de gran ayuda y ofrecerá pistas sobre el gran enigma de la energía oscura.

Las supernovas Ia son candelas estándar para medir distancias mucho más robustas de lo que se pensaba

 

La energía oscura se descubrió gracias al uso de las supernovas Ia como candelas estándar, estrellas cuya luminosidad aparente permite determinar su luminosidad verdadera con precisión. Algunos artículos recientes encontraron una cierta diversidad entre las supernovas Ia, las hay rápidas y lentas, lo que hizo pensar que quizás no fueran tan buenas candelas como se pensaba. Sin embargo, un nuevo artículo publicado en Nature indica que la variaciones observadas en las supernovas Ia tienen una explicación sencilla, depende de la dirección en la que miremos y con un modelo adecuado se puede recuperar su papel como las mejores candelas estándar para medir distancias grandes en el universo. El nuevo modelo teórico de Maeda et al. se basa en simulaciones por ordenador y explica (gran parte de) la diversidad de las supernovas Ia como consecuencia de la dirección (aleatoria) de la explosión. Los astronómos podrán volver a usar las supernovas Ia como candelas estándar si en lugar de considerarlas individualmente, promedian los resultados para un gran número de supernovas Ia ya que el promedio diluye el efecto de la dirección aleatoria de la explosión y otras fuentes de asimetría en la misma. De esta forma, de manera sencilla, las supernovas Ia recuperan el status como candelas estándar, acallando las voces que habían empezado a dudar. Nos lo cuenta Daniel Kasen, “Astrophysics: The supernova has two faces,” News & Views, Nature 466: 37–38, 01 July 2010, haciéndose eco del artículo técnico de K. Maeda et al., “An asymmetric explosion as the origin of spectral evolution diversity in type Ia supernovae,” Nature 466: 82–85, 01 July 2010.

Se publica un artículo que contradice la evidencia de materia y energía oscuras en los datos de WMAP-5

Nunca te creas lo que leas en un blog. Ni siquiera en éste. Los datos de WMAP-5, correctamente interpretados, indican que no hay evidencia de la existencia ni de la materia oscura ni de la energía oscura. Parece broma, pero lo afirman dos científicos de la Universidad de Durham, la tercera más importante de Gran Bretaña, U. Sawangwit y T. Shanks, en un artículo en la prestigiosa revista internacional de astronomía Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (factor de impacto 5’103 (JCR 2009) y 8ª de 52). Obviamente, ni provenir de una gran universidad garantiza nada, ni publicar en una prestigiosa revista tampoco. Lo he visto en Eric Diaz, “WMAP: No Dark Matter Or Dark Energy?!,” The Rock-Whacking Philosopher, June 16th 2010, gracias a un comentario en Tommaso Dorigo, “Plot Of The Week – A SUSY Higgs At 150 GeV ?,” A Quantum Diaries Survivor, June 15th 2010. Según los autores del artículo técnico el análisis y la interpretación de los datos del fondo cósmico de microondas obtenidos por la sonda WMAP en sus primeros 5 años es incorrecta. La primera pregunta es: ¿por qué no han usado los datos de los primeros 7 años de WMAP ya publicados desde el año pasado? No sospeches, Francis, no sospeches, … En estos casos, siempre, hay que leerse el artículo técnico, ya que lo que te cuenten en un blog casi con toda seguridad es discutible. Uy, esto es un blog. El artículo técnico, si a alguien le interesa leerlo, es U. Sawangwit, T. Shanks, “Beam profile sensitivity of the WMAP CMB power spectrum,” Submitted on 2 Dec 2009 (accepted for publication in MNRAS Letters). ¿Cómo? ¿No te has dado cuenta? La revista internacional Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, no tiene nada que ver, bueno, sí tiene que ver, pero es diferente de la prestigiosa revista que he mencionado al principio. Es otra revista de la RAS, pero sin índice de impacto y de prestigo discutible. En todos partes cuecen habas.

Una lectura no cuidadosa del artículo desvela todas nuestras incógnitas. Los autores analizan los primeros momentos multipolares de la radiación cósmica obtenida por el WMAP (la zona gris de la izquierda en la famosa figura de los datos del WMAP). Los interesados pueden remitirse a la figura 2 del artículo (que omito aquí intencionadamente). Los primeros momentos tienen una incertidumbre enorme (como se ve en la banda gris de la figura). Los autores aplican una nueva técnica de análisis para dichos datos y obtienen como es de esperar conclusiones sin ninguna base científica. ¿Por qué? Porque el contenido de materia (bariónica y oscura) y de energía oscura del universo se deduce del análisis de los picos grandes que se ven en la figura (básicamente los tres primeros picos) sin contar la zona gris. El satélite Planck permitirá analizar muchos más picos (ver “Lo que se descubrirá sobre el universo gracias al satélite Planck“). Los primeros multipolos tienen gran incertidumbre y la seguirán teniendo durante mucho tiempo (ni WMAP ni Planck están diseñados para analizarlos con precisión). En resumen, no me molesto en leer en detalle el artículo de Sawangwit y Shanks porque no me parece que merezca la pena hacerlo. Si entre vosotros alguien se atreve y entrevé en dicho artículo algún atisbo de algo reseñable, por favor, que use los comentarios.

PS: como ocurre con muchas noticias, una vez que alguien menea la noticia descubres que la noticia es vox populi. Eugenie Samuel Reich, “Has Jupiter sent cosmology down a false trail?,” NewScientist, 11 June 2010 [traducción libre en "¿No son fiables los datos de WMAP? Según un astrofísico los datos de WMAP sobre el fondo cósmico de microondas podrían estar mal calibrados," NeoFronteras, 16 de Junio de 2010. Pepe Cervera, "Recalibrar un satélite para entender el Universo," Retiario, RTVE.ES, 14 Jun 2010 [menéame].

Publicada en Nature: Primera verificación a escala cosmológica de la teoría de la gravedad de Einstein

Comparación entre observaciones experimentales y teóricas para el nuevo parámetro cosmológico (izq.) obtenido tras un análisis de los datos de galaxias del Sloan Digital Sky Survey. (C) Nature

La cosmología moderna se basa en el supuesto de que la relatividad general es una teoría válida de la gravedad a escalas cosmológicas. Un artículo publicado en Nature presenta la primera confirmación de la teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general, en escalas mucho más allá de nuestro Sistema Solar. Por ahora no se excluyen todas las teorías alternativas de la gravedad, pero la nueva técnica promete que en un futuro próximo sí se podrán discernir. La verificación se basa en el estudio de 70205 galaxias con corrimiento al rojo medio de z=0’32 estudiadas por el SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Reyes et al. han obtenido un valor E_G = 0’39 ± 0’06, que confirma el valor de 0’40 predicho por la relatividad general. La magnitud E_G combina medidas de lentes gravitatorias a gran escala, cúmulos de galaxias y la tasa de crecimiento de grandes estructuras en el universo predicha por el modelo cosmológico estándar. Hay que destacar que el nuevo resultado permite excluir algunas modificaciones de la gravedad y, cuando sea medido con mayor precisión, permitirá excluir muchas otras. La cosmología relativista promete convertirse en una rama experimental de la física en pie de igualdad a otras ramas de la astrofísica. Nos lo comenta J. Anthony Tyson, “Cosmology: Gravity tested on cosmic scales,” News and Views, Nature 464: 172-173, 11 March 2010, que se hace eco del artículo técnico de Reinabelle Reyes, Rachel Mandelbaum, Uros Seljak, Tobias Baldauf, James E. Gunn, Lucas Lombriser, Robert E. Smith, “Confirmation of general relativity on large scales from weak lensing and galaxy velocities,” Nature, 464: 256-258, 11 March 2010.

Nuestra comprensión de la física que subyace a la evolución dinámica del universo y el desarrollo de estructuras a escala cósmica está impulsada por las observaciones astronómicas. Históricamente, las mediciones cosmológicas de galaxias en grandes escalas están en conflicto con las predicciones basadas en el modelo cosmológico que combina la teoría de Albert Einstein para la gravedad (relatividad general) y el modelo estándar de física de partículas. El modelo cosmológico estándar tuvo que incorporar la materia oscura y la energía oscura (esta última para explicar la reciente observación de la aceleración de la expansión del Universo). Actualmente no sabemos lo que son la materia y la energía oscuras. Aunque hay varios modelos en física de partículas para la naturaleza de la materia oscura, la energía oscura sigue siendo un misterio.

Recientemente se han desarrollado muchos modelos cosmológicos alternativos que se basan en versiones modificadas de la gravedad de Einstein a escala cosmológica con objeto de explicar la aparente aceleración de la expansión del Universo sin necesidad de recurrir a la energía oscura. ¿Se puede distinguir experimentalmente entre la teoría de Einstein y estas nuevas teorías de la gravedad? Pengjie Zhang et al., “Probing Gravity at Cosmological Scales by Measurements which Test the Relationship between Gravitational Lensing and Matter Overdensity,” Phys. Rev. Lett. 99: 141302, 2007, desarrollaron un método para distinguir entre estos modelos. El nuevo artículo de Reyes et al. aplica su método a los datos del Sloan Digital Sky Survey, desmostrando por primera vez de forma experimental la coherencia entre la relatividad general y los datos cosmológicos más precisos. El nuevo trabajo marca el camino para futuras pruebas de alta precisión que permitirán distinguir entre la relatividad general y otros modelos alternativos. La relatividad general podrá ser probada en escalas cien mil millones de veces más grandes que en la actualidad, escalas en las que desviaciones muy pequeñas respecto a la teoría, imposibles de medir en el marco del Sistema Solar, podrán ser verificadas.

Buenas noticias para Zhang et al. que nos indican que la próxima generación de medidas experimentales a nivel cosmológico permitirá reducir la incertidumbre experimental por debajo del 1% de error durante la próxima décado, cuando el SDSS y otros experimentos cartografíen miles de millones de galaxias y se pueda repetir el análisis de Reyes et al. con un número de galaxias de alto corrimiento al rojo cien veces mayor al utilizado en el estudio publicado en Nature. La física de la aceleración de la expansión del Universo podrá ser  estudiado con detalle, pudiendo diferenciar entre su posible origen como energía oscura o como manifestación de modificaciones de la gravedad a escalas cien mil millones de veces mayores que el Sistema Solar. Los experimentos en la próxima década promete una visión mucho más fundamental de la física del Universo a escala cósmica.

En español también puedes leer ”Confirman la relatividad general en escalas grandes,” SINC 10 mar 2010 [visto en Menéame]. “Un equipo de astrofísicos estadounidenses y suizos ha comprobado que la teoría de la relatividad general de Einstein funciona a escalas tan grandes como las que separan las galaxias, según publica hoy la revista Nature. Para realizar el estudio los investigadores se han basado en una muestra de unas 70.000 galaxias y han definido un nuevo parámetro de cuantificación.”

Lo que se descubrirá sobre el universo gracias al satélite Planck

Espectro de la radiación de fondo de microondas (CMB) según WMAP, mostrando los primeros tres picos acústicos, y el esperado para Planck, mostrando los diez primeros. (C) The Scientific Programme of Planck.

El satélite Planck de la ESA nos ofrecerá resultados en 2012 sobre el fondo cósmico de microondas (CMB) con una gran resolución angular (de unos 5´) y una sensibilidad de μK que le permitirá estudiar en detalle la distribución de las anisotropías de la temperatura del CMB (más allá del cuarto pico acústico, ver la figura de arriba) así como su polarización (ver más abajo). La polarización es muy importante porque es el resultado de las ondas gravitatorias primigenias que se generaron durante la Gran Explosión. El análisis detallado de esta polarización (en una escala de 0,1 µK) nos permitirá conocer detalles íntimos de la inflación cósmica. Planck permitirá separar las anisotropías observadas en dos componentes, siendo la componente secundaria debida a las grandes estructuras del universo, que podremos explorar gracias al efecto Sunyaev–Zel’dovich en cúmulos de galaxias y al efecto sobre los fotones del CMB de las lentes gravitatorias débiles. También permitirá estudiar si las perturbaciones de densidad primordiales son gaussianas (como predicen los modelos de inflación) o no, gracias al estudio de las componentes multipolares de la radiación. Los resultados de Planck nos permitirán comparar entre sí diferentes modelos teóricos para la inflación cósmica y para los primeros instantes de la Gran Explosión permitiéndonos decidir cuál de ellos describe mejor el origen del universo. Nos lo cuenta en detalle Amedeo Balbia, “Cosmology from Planck,” New Astronomy Reviews 51: 281-286, March 2007.

Recapitulemos. COBE no tenía resolución suficiente para estudiar con detalle el primer pico acústico de la anisotropía de la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB). Dicho pico fue estudiado mediante globos sondas, en experimentos como BOOMERang y MAXIMA, lo que demostró que el universo era aproximadamente plano como predecía la teoría de la Gran Explosión con inflación cósmica. WMAP ha sido capaz de estudiar los dos primeros picos acústicos, el primero mucho mejor que el segundo. Sin embargo, la incertidumbre para el tercer pico es aún alta. WMAP también es incapaz de estudiar en detalle la polarización del CMB.

La evolución del universo durante sus primeros instantes está ”congelada” en las oscilaciones y anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB). Estas anisotropías se reflejan en picos acústicos que dan la característica forma “oscilatoria” de la distribución de la temperatura de la radiación CMB. En el plasma de fotones y bariones del universo primigenio, los fotones tienden a eliminar las anisotropías y los bariones, que se mueven a velocidad mucho menores que la velocidad de la luz, tienden a producir anisotropías por atracción gravitatoria. Los picos acústicos corresponden a las frecuencias en las que los fotones se desacoplan de los bariones. La anchura del primer pico determina la curvatura del universo (pero no su topología). El cociente entre las amplitudes del primer y segundo pico determina la densidad de materia bariónica del universo. El cociente entre segundo y tercer pico determina la densidad de materia oscura. Cuanto más picos conozcamos en detalle más precisión tendremos en estas medidas. Además, la localización de los picos nos da información sobre la naturaleza de la densidad de perturbaciones primigenia tras la inflación cósmica del universo. Los modelos más sencillos de inflación cósmica predicen una distribución completamente adiabática para la densidad de estas perturbaciones, pero podría no serlo.

Planck determinará con gran precisión el porcentaje de materia oscura que hay en el universo y también aportará datos sobre su porcentaje de energía oscura (que sólo podrá medir de forma indirecta). La medida precisa de la curvatura del universo y la distribución de la componente secundaria de las anisotropías nos permitirá, gracias al efecto integrado de Sach-Wolfe, estudiar la transición entre un universo dominado por materia a uno dominado por energía oscura (época actual).

Comparación entre la polarización del CMB medida por WMAP y B2K (izq.) y Planck (der.) para los modos TE (arriba) y EE (abajo) suponiendo el modelo cosmológico estándar (ΛCDM). (C) The Scientific Programme of Planck.

Esta figura compara las medidas de la polarización del fondo cósmico de microondas que se pueden obtener con WMAP con las que se espera que se puedan obtener gracias a Planck. Hay dos tipos de polarización en el CMB llamados modos E y B, por analogía con el electromagnetismo, en el que el campo campo eléctrico (campo E) tiene un rotacional nulo, mientras que el campo magnético (campo B) tiene una divergencia nula. Los modos E aparecen de forma natural por difusión en un plasma heterogéneo. Los modos B son una señal de la inflación cósmica y depeden de la densidad de ondas gravitatorias primigenias. La detección de los modos B es extremadamente difícil porque se cree que su intensidad es mucho menor que la de los modos E. Se espera que el satélite Planck sea capaz de determinar con buena exactitud las componentes relativas del espectro angular de la polarización del CMB, tanto las componentes de polarización EE (eléctrica), TE (trasversal eléctrica), como BB (magnética). Esta última es crucial ya que depende de las componentes tensoriales de las perturbaciones primigenias (ondas gravitatorias) y permitirá medir los parámetros de los modelos inflacionarios y por tanto discriminar entre diferentes modelos de inflación. Abajo aparece una figura con una estimación de las posibles incertidumbres que se espera se puedan obtener utilizando Planck.

Estimación del error en la medida de la polarización BB del CMB usando Planck. (C) The Scientific Programme of Planck.

El problema de la energía oscura y el origen de las supernovas de tipo Ia

Galaxias estudiadas con su luminosidad en la banda K, su número predicho de enanas blancas acretando materia, su luminosidad total observada con Chandra, es decir, rayos-X en el rango de 0,3 a 0,7 KeV, y el valor predicho. Debes comparar las dos últimas columnas. (c) Nature.

Una gran sorpresa a nivel cósmico. Las supernovas tipo Ia son las candelas estándar para la determinación de distancias en el universo a distancias cosmológicas, ya que todas presentan una curva de luz que decae en el tiempo de forma muy similar, y son las grandes responsables de que se crea que la energía oscura existe. ¿Por qué explotan las enanas blancas? Todo el mundo pensaba que superaban el límite teórico de Chandrasekhar para su masa debido a que absorbían (acretaban) materia de una estrella compañera. ¿Por qué todas tienen curvas de luz tan similares? Porque todas alcanzaban el límite de Chandrasekhar por debajo de la misma forma y su estado en el momento de la explosión era prácticamente el mismo. Sin embargo, algunos investigadores también habían propuesto la fusión/colisión de dos enanas blancas como posible explicación. ¿Cómo distinguir ambos procesos? En el primero, se observaría una emisión de rayos X debido a la acreción de material mucho más intensa. La solución, recurrir al Observatorio Espacial de rayos X llamado Chandra. Un artículo, publicado hoy en Nature [1], ha encontrado que, al menos en galaxias jóvenes y cercanas, la emisión de rayos X es muy débil, entre 30 y 50 veces menor de lo esperado para el escenario de acreción, por lo que habría que descartar dicho mecanismo y considerar que las fusiones de enanas blancas son el origen principal de las supernovas Ia en estas galaxias. Un resultado completamente inesperado. Una gran sorpresa, ya que se conocen poquísimos sistemas binarios con pares de enanas blancas. Más aún teniendo en cuenta que las simulaciones numéricas indican que la fusión de enanas blancas no permite explicar bien la uniformidad en la curva de brillo de las supernovas Ia que está en la base de su uso para medir distancias cosmológicas. El mecanismo de acreción podría explicar sólo el 5% de las supernovas tipo Ia en galaxias jóvenes, ¿qué pasará en galaxias viejas? Sólo los observatorios espaciales podrán obtener una respuesta definitiva. ¿Afectarán estos estudios a la cantidad de energía oscura predicha en el universo? 

En español os gustará la traducción de Kanijo, “Qué hace que estallen las supernovas,” Ciencia Kanija, 18 Feb. 2010, de un artículo de Space.com [comentarios en Menéame]. 

[1] Marat Gilfanov, Ákos Bogdán “An upper limit on the contribution of accreting white dwarfs to the type Ia supernova rate,” Nature 463: 924-925, 18 February 2010.

[2] “Making the paper: Marat Gilfanov,” Nature 463: 848, 18 February 2010.

En 2008, Marat Gilfanov, un astrofísico del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania, fue anotando algunas cifras relativas al resplandor de la emisión de rayos X de algunas fuentes en la galaxia Andrómeda, cuando se dio cuenta de que podría tener la respuesta a cómo se producen las supernovas tipo Ia (SN Ia). Se le ocurrió testear el modelo de acreción de materia en enanas blancas para explicar la explosión utilizando como firma la radiación X de la materia que cae en la enana blanca, una señal distintiva que se observaría hasta 10 millones de años antes de la explosión de la SN Ia. El otro modelo en competencia, la fusión de dos enanas blancas, sólo debería presentar una emisión de rayos X fuerte justo antes de la explosión. Gilfanov afirma que hizo “un cálculo preliminar tipo la “cuenta de la vieja” (back-of-the-envelope) y los números indicaban que habría hasta 3 órdenes de magnitud de diferencia en la emisión de rayos X observada en Andrómeda entre lo esperado por ambos mecanismos.”

Marat Gilfanov, director de la tesis de Ákos Bogdán.

Para estar seguros, Gilfanov y su estudiante de doctorado Ákos Bogdán decidieron estudiar la emisión de rayos X de seis galaxias cercanas, todas “jóvenes” (early-type)que contienen muy poca cantidad de gas neutro y polvo que podría dificultar la observación de los de rayos X de emisión por acreción de las enanas blancas. El resultado ya lo hemos comentado, encontraron un flujo medio de rayos X entre 30 y 50 veces menor que el que se prevee en el escenario de acreción. Su conclusión es que la gran mayoría, al menos el 95%, de las supernovas de tipo Ia en galaxias jóvenes son resultado de la fusión de enanas blancas binarias.

Gilfanov y Bogdan han pasado casi un año estudiando la teoría y los datos experimentales con objeto de tener en cuenta todos los modos de acreción posibles y los diferentes tipos de galaxias. “Muchas veces nos íbamos a la cama pensando “¡hice un gran descubrimiento!,” por a la mañana siguiente, tras volver a verificar los datos, todo se esfumaba en el aire.” Saber que tienes en las manos un artículo que puede ser “la bomba” y que podrías publicar en Nature te obliga a repasar los cálculos y observaciones una y otra vez hasta estar completamente seguro de tus afirmaciones.

Obviamente, este no es el punto final de la historia. El mecanismo responsable de la explosión de supernovas tipo Ia en otros tipos de galaxias podría ser completamente diferente. Más aún, incluso podría ocurrir que los astrofísicos teóricos descubrieran otros mecanismos diferentes para la explosión de las supernovas Ia que expliquen mejor los datos observados. Nos recuerda Gilfanov que “en los modelos por ordenador, los científicos pueden hacer estallar enanas blancas justo por debajo de la masa crítica, pero estas explosiones numéricas a veces se parecen poco a lo que realmente se observa en el Universo.” 

Colisión de dos enanas blancas debido a que la radiación gravitatoria las hace acercarse mutuamente. (C) Nature.

Permitidme que añada que la simulación magnetohidrodinámica de explosiones de supernovas Ia es un problema computacional que requiere una potencia de cálculo sólo alcanzable en los mayores supercomputadores y que estudiar y comparar diferentes mecanismos requiere muchísimos años de trabajo. La primera simulación de una explosión de supernova tipo Ia mediante el mecanismo de fusión de enanas blancas se obtuvo por investigadores compañeros de Gilfanov en el Max Planck y se publicó a principios de este año en Nature [3,4]. Lograron simular por ordenador la colisión entre dos enanas blancas de la misma masa produciendo una explosión de supernova Ia de tipo subluminoso, aunque tuvieron que considerar que la parte exterior de las enanas blancas estaba formada sólo por un material (cuando se suele suponer que contiene dos, carbono y oxígeno) y tuvieron que tomar una masa bastante alta de ~0.9 M_⊙ (casi la masa del Sol). La curva de luminosidad obtenida por ordenador es muy similar a la observada en supernovas de tipo Ia subluminosas como 1991bg. Sorprendió mucho que la masa de las dos enanas blancas en colisión tenga que ser tan alta, cuando el límite de Chandrasekhar es del orden de 1,4 M_⊙. Este tipo de simulaciones tendrán que mejorar mucho en los próximos años para entender, gracias a ellas, cómo explotan el 95% de las supernovas Ia en galaxias jóvenes por colisión de enanas blancas, como el trabajo de Gilfanov parece indicar, la mayoría de las cuales no son del tipo subluminoso.

En español os gustará leer la noticia en Alejandro Tropea, ”Explosiones violentas en el espacio. Los astrónomos simulan cómo las estrellas enanas blancas se fusionan y convierten en una supernova,” Universo a la vista, 7 de enero de 2010 (traducción de “Violent explosions in space. Astronomers simulate how white dwarf stars merge and become a supernova,” Max Planck News, January 7th, 2010). Los interesados en saber “¿Por qué no explotan las supernovas simuladas?,” disfrutarán con la noticia de Axxon.com.ar enlazada [que yo quise menear en Menéame pero se me adelantaron].

[3] Rüdiger Pakmor et al., “Sub-luminous type Ia supernovae from the mergers of equal-mass white dwarfs with mass ~0.9M_⊙,” Nature 463: 61-64, 7 January 2010.

[4] D. Andrew Howell, “Supernovae: A smashing success,” News, Nature 463: 35-36, 7 January 2010.

El primer año de vida de la teoría de la gravedad de Horava-Lifshitz

Lo primero, no soy experto. Lo segundo, quizás eso me permita ver los avances en la teoría de Horava-Lifshitz con ojos de niño. Los ojos de esperanza de un adolescente requieren una fuente. Una fuente que le ponga los pies sobre la tierra. Una fuente que nos resuma los avances y progresos sobre las ideas de Horava en este intenso primer año de vida. ¿Qué artículo elegir entre los cientos de artículos que se han publicado este año sobre dicha teoría? Uno reciente, ya que ha habido avances recientes. El que más me gusta, repito, no soy experto, es Elias Kiritsis, Georgios Kofinas, “On Horava-Lifshitz “Black Holes”,” ArXiv, Submitted on 28 Oct 2009. Aparentemente sólo sobre agujeros negros, pero incluye una introducción, en mi opinión muy buena y acertada, que es la fuente ideal para esta entrada. Los lectores de Investigación y Ciencia podrán leer un breve artículo de Zeeya Merali en el número de febrero de 2010 (en inglés aparecerá en Diciembre “Splitting Time from Space—New Quantum Theory Topples Einstein’s Spacetime“). Coincido con Lubos Motl, sin que sirva de precedente, en que dicho artículo no me gusta y lleva a equívocos. Supongo que la traducción al español en Investigación y Ciencia no logrará arreglarlos. En este blog ya hablamos de este tema en ”Nueva moda entre los físicos teóricos: la teoría cuántica renormalizable para la gravedad de Petr Hořava,” 23 Junio 2009. Ya recomendamos las transparencias de la charla de Petr Horava en Strings 2009, Roma, “Gravity at a Lifshitz point”.

Obtener una teoría cuántica de la gravedad es muy fácil. Sabemos cuantizar la teoría de la relatividad general de Einstein y obtener un teoría cuántica de la gravedad consistente a energías menores que la escala de Planck. El problema es que dicha teoría predice lo mismo que la teoría de Einstein, las correcciones cuánticas son despreciables, luego no tiene ninguna utilidad práctica. ¿Qué pasa a la escala de Planck? A dicha escala, con energías miles de billones de veces más altas que las energías más altas que se alcanzarán en el LHC del CERN, a distancias tan cortas como una billonésima de billonésima de billonésima de metro, la gravedad cuántica se vuelve inconsistente. La curvatura del espaciotiempo es tan grande que la misma idea de espaciotiempo se tambalea. No se sabe cómo calcular nada utilizando la teoría cuántica de la gravedad. Lo único que se obtienen son infinitos. Nadie sabe como interpretar el significado (renormalizar) dichos infinitos para obtener un resultado finito.

Nadie sabe cómo estudiar el límite ultravioleta de una teoría cuántica de la gravedad. El límite ultravioleta corresponde a distancias en la escala de Planck. Ni siquiera la teoría de cuerdas permite calcular en dicho límite; hay que recordar que por ahora es sólo una teoría perturbativa, luego válida cerca pero por debajo de la escala de Planck. Las alternativas teóricas son muchas, pero todavía no sabemos cual acabará resultando correcta. Quizás todas son equivalentes entre sí y sólo muestran facetas diferentes de una misma teoría aún por descubrir. La teoría de cuerdas es una teoría invariante relativista, ¿es el espaciotiempo invariante Lorentz a la escala de Planck?

Como no sabemos nada sobre cómo se comporta la gravedad en la escala de Planck, en dicha escala podemos suponer que pasa casi cualquier cosa. La idea de Horava es que a dicha escala la invarianza de Lorentz de la teoría de la relatividad de Einstein no se cumple. En la escala de Planck el espaciotiempo tiene una invarianza de escala que rompe la invarianza Lorentz y permite que su teoría cuántica de la gravedad sea finita (renormalizable). La velocidad de la luz en dicha escala se vuelve infinita. La idea de Horava es que la invarianza Lorentz es dinámica o efectiva, aparece en el límite de energías más bajas que la energía de Planck, en el que la velocidad de luz se vuelve finita. Parafraseando el título del artículo de Scientific American, el espacio y el tiempo estarían “parcialmente” separados a la escala de Planck y unidos inexorablemente a energías más bajas.

La teoría de Horava-Lifshitz presenta ciertos problemas técnicos (matemáticos y físicos) para los que Horava propuso soluciones ad hoc sin justificación física (como no hay experimentos, la imaginación es la única guía). La teoría de Horava-Lifshitz tiene muchas versiones posibles, dependiendo de la técnica matemática que se use para resolver (al menos parcialmente) dichos problemas técnicos. Básicamente hay dos tipos de versiones en función de cómo varía el tiempo ante la invarianza de escala (el llamado lapso de tiempo). Se puede permitir una variación general (espaciotemporal) o una variación solo temporal del lapso de tiempo, las así llamadas versiones no proyectables y proyectables de la teoría. La versión original de Horava era proyectable. La teoría de Horava predice más cosas de las que a un físico le gustaría que predijera una teoría de la gravedad (por ejemplo, una partícula escalar). Por ello Horava introdujo un principio de equilibrio detallado para cargarse algunas de dichas cosas.

¿Cómo se puede comprobar si la teoría de Horava es correcta o no? Lo más fácil es estudiar sus consecuencias cosmológicas y astrofísicas. Los primeros trabajos mostraron que la teoría con el principio de equilibrio detallado no permite explicar la energía oscura del universo, conduce a una constante cosmológica errónea por muchos órdenes de magnitud. Además, la gravedad alrededor de una estrella (agujero negro) es muy diferente de la observada en relatividad general y el Sistema Solar no podría ser estable. El resultado fue interpretado por muchos como que la teoría de Horava no tenía ningún sentido físico. Sin embargo, pronto se descubrió que la culpa de todo esto la tenía el principio de equilibrio detallado. Una versión de la teoría sin este princpio parecía prometedora. Eso sí, hay que resolver los problemas matemáticos que dicho principio resuelve sin utilizarlo. Hoy en día hay versiones de la teoría de Horava con y sin principio de equilibrio detallado, y con lapso de tiempo proyectable o no. Los teóricos están estudiando actualmente qué propiedades generales de una teoría tipo Horava-Lifshitz garantiza que sea renormalizable (finita en la escala de Planck). Todavía queda mucho trabajo por realizar en este sentido.

La cosmología según la teoría de Horava es bastante curiosa. Como la velocidad de la luz es infinita en la escala de Planck, la teoría de la Gran Explosión (Big Bang) no necesita la inflación cósmica (se resuelven automáticamente los problemas del horizonte y la planitud del espaciotiempo). La gravedad de Horava corrige la gravedad de Einstein con términos en derivadas mayores del segundo orden (hasta sexto orden) que conducen a una asimetría en la polarización del fondo cósmico de microondas. Su existencia podría ser verificada o refutada por el satélite Planck, actualmente en órbita.

El problema más importante de las teorías de Horava-Lifshitz en sus múltiples variantes es su finitud (renormalizabilidad) en el límite ultravioleta (escala de Planck). Aunque Horava mostró que parecía que lo era (por el método de la cuenta de potencias) en realidad hay importantes problemas aún por resolver en el límite de acoplamiento fuerte. Por un lado, podría resolverlos la posibilidad de que la teoría sea asintóticamente libre (como la cromodinámica cuántica o teoría de los quarks). Sin embargo, esta posibilidad no está nada clara. Si la teoría lo fuera se resolvería el problema del acoplamiento fuerte, pero algunos creen que a costa de introducir términos en el límite infrarrojo (distancias grandes, donde la gravedad de Einstein es válida) incompatibles con las observaciones. Por ejemplo, la velocidad de la luz sería diferente para diferentes partículas elementales, algo incompatible con el Modelo Estándar.

Por otro lado, aparece una partícula (campo) escalar cuyo efecto en los cálculos (para acomplamiento fuerte) pone en entredicho la renormalizabilidad de la teoría. La ventaja de la teoría (su finitud) se va al traste. La solución de Horava era su versión proyectable de la teoría, pero dicha versión produce la generación de cáusticas y dominios cosmológicos que son incompatibles con las observaciones del fondo cósmico de microondas del satélite WMAP. Una versión muy reciente de la teoría de Horava proclamó haber resuelto este problema (D.Blas, O.Pujolas, S. Sibiryakov, “A healthy extension of Horava gravity,” ArXiv, 21 Sep 2009), sin embargo, estudios posteriores indican que su solución es sólo parcial y que el problema asociado al campo escalar continúa existiendo (A. Papazoglou, Th.P. Sotiriou, ”Strong coupling in extended Horava-Lifshitz gravity,” ArXiv, 6 Nov 2009).

Un año de trabajo, cientos de publicaciones y mucho trabajo todavía por realizar para poder entender lo que darán de sí en los próximos años las teorías tipo Horava-Lifshitz. Una línea prometedora es ver dichas teorías desde el punto de vista de la dualidad. Hay versiones duales de teorías cuánticas de campos relativistas que son no relativistas. Quizás la nueva teoría tiene un dual relativista que resuelve algunos de sus problemas desde un enfoque nuevo. Otra línea prometedora es interpretar la teoría desde el punto de vista holográfico. Hablando de holografía, este es un buen momento, como cualquier otro, para mirar al infinito a través del estereograma que acompaña esta entrada (si no lo has hecho ya).

PS: Oriol Pujolàs, catalán actualmente en la Universidad de New York, nos presenta en “Non-relativistic Quantum Gravity,” una breve revisión del estado actual de la teoría de Horava-Lifshitz en una conferencia de 15 min. en el CERN Theory Group, 6 Nov. 2009.

Energía oscura para torpes (o dark energy for dummies)

¿Quieres saber lo que es la energía oscura y nunca te atreviste a preguntarlo? Todo lo que necesitas saber sobre la energía oscura lo encontrarás en una exposición muy pedagógica sobre la física de la aceleración de la expansión del universo observada con supernovas Ia que puedes encontrar gratis (aunque en inglés) en M. Sami, “A primer on problems and prospects of dark energy,” CURRENT SCIENCE 97: 887-910, 25 SEPTEMBER 2009. Si eres estudiante de física de primer curso, o quieres serlo, disfrutarás del esfuerzo de leer en inglés. A los demás, lo siento, incluye fórmulas, muy elementales, pero haberlas hailas.

El secreto de la energía oscura podría estar en el Modelo Estándar escondido tras el “fantasma de Veneziano”

Si quieres que te toque la lotería tienes que apostar. En ciencia, los grandes avances requieren hipótesis arriesgadas. ¿Qué es la energía oscura? Nadie lo sabe, aunque hay multitud de hipótesis. Sólo los experimentos decidirán cuál es la correcta. ¿Puede explicarse la energía oscura utilizando el Modelo Estándar? Urban y Zhitnitsky han observado que el lagrangiano quiral de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría de los quarks, embebido en un espaciotiempo curvo, genera una densidad de energía del vacío que se puede interpretar como un término cosmológico pequeñísimo, pero suficiente para forzar la aceleración de la expansión del universo que se ha observado con supernovas tipo Ia. La unión de gravedad y QCD conduce de forma natural a la energía oscura. El mayor problema de esta propuesta, por lo demás, técnicamente muy ingeniosa pero sencilla, es que conduce a una ecuación de estado para la energía oscura con w=-0.75, cuando los experimentos favorecen un valor más próximo a w=-1. Sorprendentemente, la evolución del parámetro de Hubble no es muy sensible a este valor y se reproduce muy bien su evolución observada experimentalmente. El artículo técnico es Federico R. Urban, Ariel R. Zhitnitsky, “The QCD nature of Dark Energy,” ArXiv, Submitted on 14 Sep 2009, secuela de los dos anteriores “The cosmological constant from the Veneziano ghost which solves the U(1) problem in QCD,” ArXiv, Submitted on 11 Jun 2009, y “The cosmological constant from the ghost. A toy model,” ArXiv, Submitted on 11 Jun 2009 [publicado en Phys.Rev.D 80: 063001, 2009].

El secreto de la energía oscura se encuentra en el campo fantasma de Veneziano. ¿Qué es eso? Muchas teorías cuánticas de campos presentan partículas y campos que no son físicos, que se denominan “fantasmas” (ghosts). Cuando se une la gravedad a una teoría cuántica de campos, como es el caso en el artículo que estamos comentando, es habitual que aparezcan partículas fantasmas en la versión clásica de la teoría, previa a su versión cuántica. Como estos fantasmas son considerados no físicos (unphysical) normalmente se busca un procedimiento de cuantización que los elimine en la versión cuántica de la teoría. Sin embargo, Urban y Zhitnitsky han considerado sus efectos físicos si no fuesen eliminados. ¿Fantasma de Veneziano? Bueno, los autores no han considerado la QCD completa sino una versión aproximada a baja energía de dicha teoría desarrollada por Veneziano (uno de los creadores de las primeras teorías de cuerdas a finales de los 1960, época en que se usaban para explicar la fuerza nuclear fuerte, cuando todavía no se había desarrollado la QCD). El análisis de dicha teoría efectiva en un universo curvo conduce a la aparición del campo fantasma de Veneziano.

Por supuesto, el trabajo de Urban y Zhitnitsky es un modelo muy sencillo, casi de juguete (toy model). La teoría correcta debería considerar la QCD completa (en 3+1 dimensiones o 4D) inmersa en un espaciotiempo curvo, es decir, acoplada con la gravedad. Analizar esta teoría completa no parece fácil. Según los autores del estudio, la contribución del fantasma de Veneziano tiene características únicas que hacen pensar que seguirá actuando de la misma forma cuando se extienda el análisis al caso más realista de la QCD en 4D. Ellos afirman que este campo sin masa está protegido y sobrevivirá en dicho caso. Además, afirman que es el único campo lineal sensible a la topología global del espaciotiempo que se espera observar en el acomplamiento de la QCD 4D con un campo gravitatorio (espaciotiempo curvo).

Por supuesto, todo esto no es más que una hipótesis. Demasiado buena para ser verdad. Lo más razonable para los próximos meses (años) es la confirmación del resultado obtenido en el modelo de juguete utilizando métodos numéricos (QCD en redes o lattice QCD). Si se obtuviera, sería un fuerte acicate para que los teóricos dediquen sus esfuerzos al fantasma de Veneziano en la QCD 4D. Si no se obtuviera, todo quedaría en una hipótesis más en el pajar de las hipótesis para explicar la energía oscura. ¿Quién encontrará la aguja en dicho pajar?

La energía oscura como resultado de las ondas gravitatorias de la inflación primordial

Explicar la energía oscura es un gran problema. ¿Se requiere nueva física para explicarla? No necesariamente. Un nuevo artículo muestra que la ecuación de estado de la energía oscura podría ser el resultado de ondas gravitatorias primordiales producidas durante la fase inflacionaria en los primeros instantes de la Gran Explosión. Los autores estudian la retroalimentación (backreaction) de las perturbaciones tensoriales (ondas gravitatorias) de un universo estándar tipo Friedmann-LeMaître-Robertson-Walker (FLRW) y muestran que actúan acelerando el universo con una ecuación de estado similar a la obtenida al añadir una constante cosmológica. En concreto la ecuación de estado de la energía oscura pasa de un valor w_E=1/3 en la época dominada por la radiación a un valor w_E=-8/9 en la época dominada por la materia (cercano al valor w_E=-1 que se obtiene con la constante cosmológica y compatible con todos los límites experimentales actuales, como muestra la figura de la izquierda). El artículo técnico es I. A. Brown, L. Schrempp, K. Ananda, “Accelerating the Universe with Gravitational Waves,” ArXiv, Submitted on 10 Sep 2009.

No todo es maravilloso en la nueva propuesta, ya que la densidad de energía oscura que se obtiene es varios órdenes de magnitud menor que la que se observa experimentalmente. El análisis todavía es muy provisional y los autores creen que estudios posteriores podrán determinar si existe algún mecanismo de amplificación de esta densidad de energía oscura hasta alcanzar los valores que se observan experimentalmente. El 73% del universo parece ser energía oscura, por lo que hay que amplificar muchísimo las ondas gravitatorias primordiales para alcanzar un valor tan enorme. Aún así, a mí, que no soy experto, me parece un gran éxito que un modelo tan sencillo conduzca a la ecuación de estado correcta. Habrá que estar al tanto de futuros avances en esta línea.

La Mula Francis lo ha dicho en reiteradas ocasiones en este blog. Que hace 10 años pasáramos de entender muy bien el 100% el universo (materia + materia oscura) a ignorar el 73% (ni idea de lo que es la energía oscura ni qué la causa) ha sido un duro golpe para todos. Me recuerda, salvando las distancias, al caso del éter para las ondas electromagnéticas. Más de medio siglo buscando el éter, cuyas propiedades eran muy antiintuitivas, hasta que Michelson y Morley observaron experimentalmente que no había pruebas de su existencia (hasta entonces todo el mundo consideraba obvio su existencia ya que era y es obvio que las ondas electromagnéticas, propagarse, se propagan). Finalmente, el concepto fue desterrado y ya nadie se acuerda de él. ¿Pasará lo mismo con la energía oscura? A mí así me lo parece. La explicación más sencilla de la energía oscura es una constante cosmológica con un valor de 10^-120 en unidades de la escala de Planck, aunque tendría que tener un valor del orden de 1 en unidades de Planck según las cuentas de los físicos teóricos en cosmología y partículas elementales. Un error “garrafal” de 120 órdenes de magnitud parece muy garrafal. Digo yo. Dice la Mula Francis, que no es experto en estas lides.

Nueva solución de las ecuaciones de Einstein explica la aceleración del universo sin necesidad de energía oscura

La energía oscura resuelve un problema, la aceleración de la expansión del universo observada con supernovas Ia, pero introduce otro problema, ¿qué es la energía oscura? Dos especialistas en obtener soluciones de las ecuaciones de Einstein, los físicos norteamericanos Blake Temple y Joel Smoller, han encontrado una nueva solución cosmológica de las ecuaciones de Einstein para la época de la radiación tras la Gran Explosión (hasta los 300.000 años) que presenta una expansión acelerada “natural” sin necesidad de energía oscura. La solución incluye un parámetro a que para a<1 produce desaceleración y para a>1 produce aceleración. Si la energía oscura existe debe ser a=1, pero entonces hay que explicar por qué en el Big Bang apareció un universo con a exactamente igual a 1. O tenemos una solución de la aceleración del universo sin energía oscura o tenemos un nuevo problema cosmológico, cómo explicar que a=1. El artículo técnico es Blake Temple, Joel Smoller, “Expanding wave solutions of the Einstein equations that induce an anomalous acceleration into the Standard Model of Cosmology,” PNAS , Published online before print August 17, 2009 (versión gratis, ucdavis.edu). FAQ de Temple o todo lo que querrías preguntarle sobre la nueva solución (muy interesante).

Los investigadores han encontrado una solución exacta parametrizada de las ecuaciones cosmológicas de Einstein que generaliza a la solución para el espaciotiempo de Fiedmann–Robertson–Walker (FRW). La solución se puede interpretar como una perturbación de dicha solución. Los autores parten de las ecuaciones cosmológicas de Einstein con simetría esférica en coordenadas estándares de Schwarzchild, bajo la hipótesis usual de un medio que cumple p = ρ c²/3, que logran reducir a un nuevo sistema de 3 ecuaciones diferenciales ordinarias, para el que obtienen una familia biparamétrica de soluciones exactas (un parámetro de escalado temporal y un parámetro de aceleración). Bajo la hipótesis de solución autosemejante, la nueva solución se reduce a una onda expansiva uniparamétrica que parte de la época de la radiación tras la Gran Explosión. El parámetro de aceleración, a, da cuenta de cualquier aceleración observada en la expansión del universo FRW. La nueva solución explica la aceleración (anómala) observada en la expansión del universo gracias a la observación de supernovas Ia en galaxias lejanas. Esta explicación tiene la ventaja de que no requiere la “magia” de la energía oscura y está dentro del formalismo matemático de la relatividad general sin ninguna hipótesis ad hoc adicional.

¿Tiene algún problema esta nueva solución del problema de la energía oscura? Sí, la nueva solución cosmológica con a>1 viola el Principio de Copérnico ya que tiene un centro de expansión que debería coincidir (aproximadamente) con la posición de la Tierra. ¿Un gran problema para la llamada “teoría de la onda expansiva”? Quizás sí. El Principio de Copérnico (la Tierra no está en el centro del universo) es uno de los Santos Griales de la Cosmología contemporánea y cualquier intento de atacarlo es “castigado” con las críticas de los cosmólogos más ortodoxos. Aunque eso sí, las críticas tendrán que ir acompañadas de alguna razón por la cual tras la Gran Explosión el parámetro de aceleración adquirió el valor a=1.

Como es habitual en ciencia, toda respuesta va acompañada de un nuevo problema.

No es posible observar la energía oscura utilizando diodos superconductores tipo Josephson

Christian Beck y Michael C. Mackey propusieron en 2004 que la energía oscura podía ser medida en laboratorio. Más aún, había sido medida en laboratorio como fluctuaciones en el punto cero en diodos superconductores tipo Josephson. Publicaron el artículo en Physics Letters B. Muchos han criticado su trabajo como un sinsentido. Sin embargo, también ha tenido sus defensores. El último artículo de Vincenzo Branchina et al. pretende ser la respuesta definitiva al asunto. No es posible medir la energía oscura en laboratorio mediante este tipo de dispositivos. Sus argumentos son claros y rotundos. ¿Serán los definitivos? Sólo el tiempo lo dirá. El artículo técnico es Vincenzo Branchina, Marco Di Liberto, Ivano Lodato, “Dark energy and Josephson junctions,” ArXiv, Submitted on 16 Jul 2009, siendo el artículo original Christian Beck, Michael C. Mackey, “Could dark energy be measured in the lab?,” Phys.Lett. B 605: 295-300, 2005 (ArXiv preprint). Según su interpretación, la energía oscura ya fue observada en el experimento de R.H. Koch, D. van Harlingen and J. Clarke, “Measurements of quantum noise in resistively shunted Josephson junctions,” Phys. Rev. B 26: 74-87, 1982.

El argumento de Branchina et al. es sencillo, los investigadores que se toman en serio el trabajo de Beck-Mackey están interpretando mal el origen de las fluctuaciones de punto cero en el espectro de potencia del ruido en la corriente de diodos tipo Josephson acoplada a una resistencia. Un análisis sencillo permite interpretar este fenómeno sin recurrir a ningún fenómeno exótico (sea la energía oscura o cualquier otro). Su análisis muestra que, no solo nunca ha sido observada la energía oscura en este tipo de experimentos, sino que nunca podrá ser observada por este medio. Muchos ya lo habían afirmado, incluso publicado, como Philippe Jetzer, Norbert Straumann, “Josephson junctions and dark energy,” Phys.Lett. B 639:  57-58, 2006 (ArXiv preprint).

Todo esto me recuerda que muchos editores de revistas internacionales publican artículos polémicos, en el borde de los pseudocientífico, con el objetivo de que sean altamente criticados y altamente citados. ¿Buscando citas e índice de impacto? No sé me ocurre otra explicación.

A los mass media (p.ej. Malén Ruiz de Elvira, “El cosmos en el laboratorio,” El País, 12/03/2008) y a los blogs de divulgación científica nos encantan este tipo de noticias. Amigo lector, incluso Francis cae en este tipo de trampas muchas veces. Una visión crítica por parte del lector, siempre bienvenida, es fundamental.