La discrepancia entre WMAP-9 y Planck aún sigue sin explicación

Quizás el resultado más llamativo sobre el fondo cósmico de microondas obtenido por el telescopio espacial Planck de la ESA ha sido la discrepancia a unos dos sigmas con los resultados de WMAP-9 de la NASA para multipolos entre 200 y 1000. La causa de esta discrepancia no es conocida. Tiene toda la pinta de ser un error sistemático, pero a día de hoy no sabemos si lo es en la medida de WMAP-9, o en la de Planck. Esta discrepancia es la causa principal de que la proporción de energía oscura del universo haya disminuido, de que la proporción de materia (oscura y bariónica) haya crecido, y de que la constante de Hubble haya disminuido, cambios mucho mayores de lo esperado. El artículo más importante de la Colaboración Planck sobre este asunto, “Planck 2013 Results. XI. Consistency of the data,” aún sigue en preparación [listado de todos los artículos]. Recomiendo consultar también las transparencias de la charla de Lloyd Knox (UC Davis / Planck Collaboration), “The Universe According to Planck,” Wine & Cheese, Fermilab, 28 Mar 2013 [slides].

En mi opinión, no se deberían haber publicado los datos sin haber aclarado antes este escabroso asunto. En casi todas las charlas de miembros de la Colaboración Planck aparece una “oveja negra” entre el público que pregunta si ya se sabe el motivo de esta discrepancia y cuándo se hará público el artículo XI sobre la consistencia de los resultados de Planck; la respuesta siempre es la misma, no se sabe el porqué, pero no se trata de un error sistemático de Planck y el artículo XI se publicará próximamente. Aún seguimos esperando…

El telescopio espacial Planck pone a la inflación en la ruta hacia el Premio Nobel de Física

El resultado más importante del telescopio Planck desde el punto de vista de posibles Premios Nobel de Física es la confirmación a cinco sigmas de la existencia de la inflación cósmica. Ésta predice que el índice espectral ns tiene un valor menor que la unidad y el resultado de Planck es 0,9608 ± 0,0054, que implica una desviación a 7,2 sigmas respecto a la unidad. ¿Por qué yo no he destacado este punto hasta ahora? Porque WMAP9 combinado con otros datos cosmológicos ofreció un valor de 0,9608 ± 0,0080, que implica una desviación a 4,9 sigmas. Por tanto, no es Planck el único que pone a la inflación en la ruta al Nobel. ¿Habrá Nobel para la inflación en 2014? Yo no lo creo. Hay modelos sin inflación, aunque con un ajuste fino, también predicen un valor del índice espectral menor que la unidad. La prueba de fuego definitiva serán los modos B, que no serán publicados hasta 2014 (como pronto). Por ello, en mi opinión, la inflación recibirá un Premio Nobel, como pronto en 2016. Por supuesto, espero equivocarme y que se adelante. ¿Quiénes recibirán el Nobel? En mi opinión hay tres firmes candidatos Alan Guth, Andrei Linde y Paul Steinhardt.

Medalla Dirac 2002 para Alan Guth (MIT), Paul Steinhardt (Princeton) y Andrei Linde (Stanford).

Los modelos más sencillos de la inflación (basados en la existencia del inflatón, un campo escalar con un potencial que cambia lentamente de la forma φⁿ) predicen que el espectro de fluctuaciones primordiales es gaussiano, pero no es invariante ante transformaciones de escala, sino que presenta ligerísimas desviaciones. El índice espectral escalar ns mide estas pequeñas desviaciones y la inflación predice que ns<1. La inflación también predice la producción de ondas gravitacionales que se reflejarán en la aparición de modos B en la polarización del fondo cósmico de microondas. La observación de este fenómeno por parte del telescopio espacial Planck será la ratificación definitiva de la inflación y además permitirá seleccionar entre los diferentes modelos que la describen. En mi opinión, el comité Nobel es muy conservador y esperará a la publicación de estos datos antes de plantearse la concesión de un Premio a la inflación. 

Más información sobre la inflación y los modos B en este blog en “La inflación cósmica y las anisotropías en la polarización del fondo cósmico de microondas.”

Una explicación para la anomalía del fondo cósmico de microondas observada por Planck

Hoy se han publicado los nuevos datos sobre el fondo cósmico de microondas obtenidos por el satélite Planck de la ESA. Una decepción para muchos, pues se confirma el modelo ΛCDM y los modelos más sencillos de inflación. La única sorpresa ha sido la confirmación de la anomalía que ya observó WMAP y que algunos han calificado como “el eje del mal” (AoE por “axis of evil”). Muchos esperábamos que la anomalía desapareciera, pues un artículo reciente reanalizaba los datos de WMAP y descartaba su existencia (A. Rassat, J.-L. Starck, “No Preferred Axes in WMAP Cosmic Microwave Background,” arXiv:1303.5051, 20 Mar 2013; gracias Daniel Marín (@Eurekablog) por recordarlo). Al substraer el efecto de Sach-Wolfe Integrado (ISW) en los datos de WMAP-9, gracias a su medida por 2MASS (2 Micron All-Sky Survey) y NVSS (NRAO VLA Sky Survey), la anomalía AoE desaparecía. ¿Ocurrirá lo mismo con los datos de Planck? Lo sabremos en las próximas semanas, pues Rassat y Starck no tardarán en aplicar su análisis a los datos de Planck.

Los tres primeros días de Moriond 2013

Los Encuentros de Moriond de 2013 sobre Teoría Electrodébil (Rencontres de Moriond EW 2013) se inauguraron el domingo pasado, 3 de marzo, con charlas sobre quarks pesados (bottom y charm), continuaron ayer lunes con charlas sobre materia oscura y el quark top, y hoy con charlas sobre neutrinos. En estos tres días no ha habido sorpresas (la mayoría de los resultados presentados ya eran conocidos y los pocos nuevos eran mejoras de resultados previos). El día estrella será mañana, con la retransmisión vía webcast de los nuevos resultados sobre el Higgs. Mis obligaciones docentes no me permitirán ver toda la retransmisión, pero espero poder hacer un resumen mañana por la noche a partir de las transparencias (slides) utilizadas (por cierto, hay que subscribirse para poder acceder a ellas).

La figura que abre esta entrada está extraída de la charla de Brent Follin (UC Davis / SPT Collaboration), “Exploring Neutrino Physics with the Cosmic Microwave Background,” Moriond EW, 5 Mar 2013 [slides], centrada en los resultados de SPT (South Pole Telescope) ya publicados en octubre de 2012 y su combinación con los de ACT y WMAP-9. Resume bien la situación actual a la espera de la publicación de los datos del satélite Planck el próximo 21 de marzo de 2013. Destaca la “tensión” entre los resultados de ACT y SPT.

Szymon Manecki (VirginiaTech / Borexino Collaboration), “Precision Measurement of the Beryllium-7 nu’s with the Borexino Detector,” Moriond EW, 5 Mar 2013  [slides], nos ha presentado los primeros resultados sobre la oscilación anual en el flujo de neutrinos detectados usando Be-7 en este detector (situado en Gran Sasso, Italia). Super-Kamiokande y SNO ya observaron hace años esta oscilación anual, pero en B-8. También ha presentado el resultado de la medida de la velocidad de los neutrinos múonicos generados en CNGS (los que OPERA anunció por error como superlumínicos).

Como nos cuenta T. R. Hampson (Univ. Bristol / LHCb collaboration), “Charm mixing and CP violation in LHCb,” Moriond EW, 2 Mar 2013 [slides], LHCb no ha encontrado evidencia de la existencia de neutrinos de Majorana en la desintegración de las mesones D⁺ tras estudiar 1 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV c.m. de 2011; aunque no se presentan análisis de los 2 /fb a 8 TeV c.m. obtenidos en 2012, el nuevo límite es uno dos órdenes de magnitud mejor que el último publicado.

LHCb tampoco ha observado corrientes neutras que cambian el sabor (FCNC) en la desintegración de mesones es D⁺ (también tras estudiar 1 /fb de colisiones a 7 TeV c.m.), como nos ha contado T. R. Hampson [slides]. Aún así, el límite todavía está un orden de magnitud por encima de las predicciones del modelo estándar, lo que no quita que vaya en contra de ciertas teorías más allá del modelo estándar (muchas de las cuales predicen un reforzamiento de las FCNC).

La búsqueda de la materia oscura en Moriond, como ya es habitual, no presenta ningún resultado relevante. Ahora mismo todo está pendiente de lo que pueda ofrecer AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) en los próximos días, pero Bruna Bertucci (Univ. Perugia / INFN), “AMS-02: Status & (future) results,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides], no ha soltado prenda en su charla. Se han recogiod unos 30 mil millones de sucesos desde el 19 de mayo de 2011 y próximamente se publicará un artículo sobre la fracción de positrones observada con energía hasta 350 GeV, lo que refutará o confirmará la anomalía observada por PAMELA (un exceso de positrones para energías entre 20 y 100 GeV). Esta anomalía no tiene una explicación aún (si posible origen en la materia oscura encuentra el problema de la ausencia de un exceso en el flujo de protones).

Fermi LAT tampoco ha observado ninguna señal de la materia oscura, salvo la famosa línea espectral de rayos gamma a unos 130 GeV en la dirección del centro de la Vía Láctea. La señal es muy clara, alcanzando 4,0 sigmas sobre el fondo, como nos cuenta Gabrijela Zaharijas (ICTP / INFN, Trieste), “Searches for WIMP dark matter with the Fermi LAT for the Fermi-LAT collaboration,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides], quien además nos indica que una calibración de los calorímetros ha desplazado la línea hasta los 135 GeV. Todavía no se conoce la causa de dicha anomalía (también observada en el limbo de la Tierra). Nos comenta la posible explicación como materia oscura Alejandro Ibarra (Technische Universität München), “Fermi-LAT limits on mass degenerate dark matter scenarios,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides]. La línea espectral observada por Fermi LAT podría tener su origen en la desintegración de una partícula de materia oscura con masa 149 ± 4 GeV y <σv> = (5,7 ± 1,4) × 10⁻²⁷ cm³/s, para una señal de 4,3 σ (aunque sólo 3,1 σ teniendo en cuenta el efecto LEE). Hay que tener cuidado con este valor, pues Ibarra no ha actualizado sus datos sobre la línea y también apunta como explicación alternativa una partícula con masa de 130 GeV y <σv> =1,27 × 10⁻²⁷ cm³/s, para una señal de 4,6 σ (3,3 σ con LEE).

Otros experimentos han actualizado sus resultados como Daya Bay [slides], OPERA [slides], T2K [slides], EXO-200 [slides], etc., pero sin ninguna novedad relevante. En resumen, habrá que esperar a mañana, a ver qué novedades sobre el Higgs nos quieren contar.

WMAP+ACT+SPT confirman el modelo cosmológico ΛCDM con inflación a la espera de los datos de Planck

Se acaba de publicar el mejor ajuste de los parámetros cosmológicos del modelo ΛCDM a partir de los datos de WMAP9 + ACT+ SPT. El índice espectral escalar ns = 0,9690 ± 0,0089 es menor que la unidad en 3,5 σ, consistente con los modelos más sencillos de inflación cósmica. El número efectivo de partículas relativistas es Neff = 3,28 ± 0,40, compatible con las tres especies de neutrinos ligeros del modelo estándar y descartando la existencia de cinco especies; habrá que esperar a los resultados del satélite Planck de la ESA para poder confirmar de forma definitiva que no hay ningún neutrino estéril. WMAP9 corresponde a los 9 años de observación de todo el fondo cósmico de microondas del satélite Wilkinson MAP de la NASA. ACT y SPT corresponden al Atacama Cosmology Telescope y al South Pole Telescope, resp., que observan con gran resolución una pequeña región del CMB. Estos datos pre-Planck durarán poco, pero apuntan a la confirmación del modelo ΛCDM (big bang con inflación cósmica, materia oscura fría y energía oscura). El artículo técnico es Erminia Calabrese et al., “Cosmological Parameters from Pre-Planck CMB Measurements,” arXiv:1302.1841, 12 Feb 2013.

Dos chorros de radiación gamma polarizada atraviesan las burbujas de Fermi en el centro galáctico

En el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, hay un agujero negro supermasivo y varias regiones actividad intensa formación estelar. El telescopio rayos gamma Fermi-LAT observó la emisión de dos grandes burbujas de largo alcance por encima y por debajo del centro galáctico. Se publica en Nature que hay dos grandes chorros linealmente polarizados que emanan del centro galáctico y cruzan las “burbujas de Fermi” con un ángulo de unos 60 grados respecto al plano galáctico. El origen de estos chorros no es el agujero negro supermasivo Sgr A*, sino una región de intensa formación estelar situada a unos 200 parsecs de distancia. Estos chorros transportan una cantidad enorme de energía magnética, unos 10driven) salida desde el centro de la Galaxia 200 parsecs que transporta una gran cantidad de energía magnética, unos 10⁵⁵ ergs, hacia el halo galáctico. La relación entre estos chorros y las burbujas de Fermi todavía no está clara, y no se sabe si estas últimas se originan debido a los primeros. La nueva observación se ha obtenido gracias al estudio S-PASS (S-band Polarization All Sky Survey) que ha construido un mapa de la emisión de radio de todo el hemisferio sur gracias al radiotelescopio Parkes en la frecuencia de 2.307 MHz, con un ancho de banda de 184 MHz y una resolución angular de 9′. El artículo técnico es Ettore Carretti et al., “Giant magnetized outflows from the centre of the Milky Way,” Nature 493: 66–69, 03 January 2013 [arXiv:1301.0512]. En este blog ya hablamos de las burbujas de Fermi en “El procesamiento de los datos del telescopio espacial Fermi y la doble burbuja galáctica de rayos gamma,” 10 noviembre 2010; “Fermi LAT descubre un chorro de rayos gamma que atraviesa el plano de la Vía Láctea,” 15 junio 2012; y “Por qué el satélite Planck no ha hallado la “primera prueba” de la materia oscura, como titula ABC,” 5 septiembre 2012.

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.

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.

Por qué el satélite Planck no ha hallado la “primera prueba” de la materia oscura, como titula ABC

Me ha sorprendido la noticia de José Manuel Nieves, “Hallan la primera «prueba física» de la materia oscura,” aparecida hoy en la sección Ciencia del diario ABC.es. El subtítulo aclara que el titular es erróneo “Una neblina alrededor del centro de la Vía Láctea puede ser la primera evidencia directa de este fenómeno.” Aún así, la redacción de la noticia no me parece apropiada. Por ejemplo, la imagen que la ilustra no es de Planck, sino una composición de una imagen de Planck y otra de Fermi/LAT. ¿Por qué la aniquilación de materia oscura y la producción de pares electrón-positrón no puede explicar estas burbujas de rayos gamma? Porque las burbujas tienen bordes muy bien definidos que esta hipótesis no puede explicar de ninguna forma. La hipótesis más razonable ahora mismo es que la burbuja es resultado de la interacción del chorro de rayos gamma observado por Fermi LAT, ver la figura de abajo, cuyo origen es el agujero negro central de nuestra galaxia; el campo magnético galáctico al interaccionar con el chorro generaría estas dos grandes burbujas. Nuestro superagujero negro Sgr A* está inactivo porque no acreta materia de forma continua, sin embargo, de vez en cuando cae materia en su interior y se produce el chorro que ha sido observado por Fermi/LAT. Los interesados en el artículo técnico, que solo menciona la materia oscura en la introducción como una de las posibles hipótesis para explicar el fenómeno, es Planck Collaboration, “Planck Intermediate Results. IX. Detection of the Galactic haze with Planck,” Submitted to Astronomy and Astrophysics, arXiv:1208.5483, 27 Aug. 2012. Una explicación breve del porqué la materia oscura es una hipótesis poco razonable para explicar este fenómeno en Gregory Dobler, “A Last Look at the Microwave Haze/Bubbles with WMAP,” The Astrophysical Journal 750: 17-25, 2012 [arXiv:1109.4418]. Agradezco a César @EDocet que me comentara la noticia vía Twitter.

Más información en mi blog sobre este tema: “Fermi LAT descubre un chorro de rayos gamma que atraviesa el plano de la Vía Láctea,” 15 junio 2012; “El procesamiento de los datos del telescopio espacial Fermi y la doble burbuja galáctica de rayos gamma,” 10 noviembre 2010.

PS (6 sep. 2012): Recomiendo leer a Ricardo Génova Santos, ”¿Se han hallado evidencias de materia oscura?,” Noticias de la RSEF.

La señal observada por Planck, Femit/LAT y WMAP “ha suscitado un gran interés en los últimos años en la comunidad científica. La explicación que se ha ido imponiendo es la de emisión sincrotrón, un mecanismo de radiación electromagnética que se origina por la interacción de electrones acelerados hasta muy altas velocidades con el campo magnético de nuestra Galaxia. El problema está en que la pendiente del espectro de la señal detectada, que ha sido ahora medida por Planck con mayor precisión, no coincide con lo que se espera para la radiación sincrotrón cuando ésta es originada por electrones que han obtenido su energía a partir explosiones de supernova.”

“Una [alternativa] atractiva es que [la señal sea debida a] la aniquilación de partículas de materia oscura. Sin embargo, hay algunas características morfológicas de las observaciones de Fermi que no concuerdan con este modelo. Por otro lado, hay otras hipótesis que han sido propuestas para el origen de estos electrones de alta energía, como por ejemplo la presencia de chorros astrofísicos generados por acreción de materia hacia un agujero negro en centro de la Galaxia, la presencia de vientos galácticos, o la existencia de un ritmo de producción de energía a partir de explosiones de supernova en nuestra Galaxia mayor del habitual.”

“Por ello, aunque la posibilidad de la detección indirecta de materia oscura pudiera parecer la más atractiva, por sus implicaciones cosmológicas, parece claro que una confirmación de esta hipótesis requiere de datos más precisos, como los que puede producir Planck en el futuro, cuando se hayan recolectado más datos, u otros experimentos como Quijote-CMB, que es actualmente desarrollado en el Instituto de Astrofísica de Canarias.”

PS (9 sep. 2012): Recomiendo la lectura de la historia personal del investigador que propuso que la materia oscura podría explicar las burbujas observadas por WMAP. Él mismo nos la cuenta en ”Guest Post: Doug Finkbeiner on Fermi Bubbles and Microwave Haze,” en el blog de Sean Carroll, Cosmic Variance, September 4th, 2012.

La inflación cósmica

La inflación cósmica fue introducida hace 30 años por Alan H. Guth (entonces postdoc en el SLAC, Stanford Linear Accelerator Center). Una hiperaceleración brevísima de la expansión del universo en los primeros instantes de la gran explosión (big bang). La inflación forma parte del modelo cosmológico de consenso, aunque muchos teóricos, el más famoso es Roger Penrose, dudan de ella. ¿Se puede verificar encontrar evidencias [pruebas indiscutibles] de la inflación cósmica de forma experimental?

Muchos cosmólogos creen que el satélite Planck de la ESA será capaz de observar señales de la inflación en su estudio del fondo cósmico de microondas. Estas señales permitirán demostrar si la inflación realmente ha existido y cuáles han sido sus características. Los llamados modos B que se supone que podrán ser observados por Planck, aunque su debilidad extrema podría complicar su deteccióin, mostrarán trazas de las ondas gravitatorias producidas durante la inflación; gracias a estas ondas se podrán descubrir los detalles del potencial de energía responsable de la dinámica del inflatón, el campo o partícula responsable de la inflación cósmica.

A principios de 2013, en enero se cumplen los 3 años y medio del lanzamiento, se espera la publicación de los primeros resultados de Planck sobre el fondo cósmico de microondas, muchos estaremos expectantes. Nos lo ha contado Paul J. Steinhardt, “The Inflation Debate. Is the theory at the heart of modern cosmology deeply flawed?,” Scientific American, April 2011 [aparecerá en español en Investigación y Ciencia en el número de junio de 2011]. Permitidme un breve resumen para ir abriendo boca.

La teoría de la gran explosión asume que el universo inició la flecha del tiempo y la expansión cósmica hace 13 700 millones de años. El universo es más grande de lo necesario para explicar por qué es tan homogéneo y tan isótropo a grandes escalas. La inflación cósmica es la explicación más sencilla: las inhomogenidades y las anisotropías en los primeros instantes de la gran explosión serían aplanadas por la hiperexpansión del espacio durante la inflación dejando un universo primitivo tan homogéneo e isótropo como el que conocemos hoy en día. La inflación cósmica aparece en todos los libros de texto aunque en la actualidad es una teoría sin verificación el apoyo de evidencia experimental específica. Más aún, tampoco conocemos qué energía inflacionaria (el campo cuántico llamado inflatón) que antigravita es su responsable; para el campo inflacionario la gravedad debe ser repulsiva en lugar de atractiva. El inflatón es un campo escalar (un partícula escalar) como el campo de Higgs (como la partícula de Higgs) responsable de un incremento en el tamaño del universo de 25 órdenes de magnitud (× 10²⁵) durante una millonésima de billonésima de billonésima de segundo (10^–30 s). Un crecimiento tan rápido y tan grande del radio del universo resulta en un universo plano, homogéneo e isótropo similar al obervado en la actualidad.

Los detalles de la inflación cósmica dependen del potencial de autointeracción del inflatón. La forma exacta de este potencial conduce a diferentes tipos de inflación que se diferencian en el tamaño de las pequeñas inhomogeneidades y anisotropías que permanecen tras la inflación y que más tarde dan lugar a la formación de las primeras galaxias. En los modelos más sencillos para el inflatón se introduce un parámetro que, grosso modo, tiene que tener un valor adecuado para que la inflación sea “buena” (compatible con la distribución a grandes escalas de la materia en el universo). Si el parámetro es demasiado pequeño o demasiado grande la inflación es “mala” y puede ser descartada. El ajuste fino de este parámetro requiere un error menor de 15 dígitos decimales, como mostró Roger Penrose a finales de los 1980. Este ajuste fino de la inflación ha llevado a muchos cosmólogos a recurrir al principio antrópico como explicación.

Un problema adicional de la inflación, descubierto en 2008 por Gary W. Gibbons (Universidad de Cambridge) y Neil G. Turok (Perimeter Institute for Theoretical Physics, en Ontario) es la inflación eterna. En la gran explosión lo más “natural” es que hayan surgido infinidad de universos burbuja, cada uno con sus propias leyes físicas, siendo el nuestro uno entre dicha infinidad. Estudiando la probabilidad de que aparezca un universo como el nuestro en el multiverso resulta que esta probabilidad es muy baja. Finalmente, el último gran problema de la inflación es la determinación del momento en el que para. Si para o después no tendríamos un universo como el que observamos, pero la probabilidad de que el campo del inflatón pare la inflación en el momento adecuado para lograr un universo plano como el observado resulta un número muy pequeño.

En resumen, la inflación es una idea maravillosa para explicar el universo, pero el diablo está en los detalles. El año que viene se publicarán los primeros datos sobre el fondo cósmico de microondas del satélite Planck. Aportarán información muy relevante sobre los detalles de la inflación. Habrá modelos que sobrevivan y otros tendrán que ser descartados. La ciencia es apasionante.

PS (nota histórica): La inflación cósmica fue propuesta por Starobinsky en 1979, Guth en 1981, Sato en 1981, Linde en 1982 y muchos otros.

PS (resultados de WMAP 7): La inflación predice una distribución estadística casi gaussiana para las fluctuaciones primordiales que se observan en el fondo cósmico de microondas. Aunque se ha dicho que WMAP 7 ha encontrado ciertas señales (en concreto los multipolos altos están algo reforzados comparados con los bajos) que han sido interpretadas como una prueba de la inflación, todavía es pronto para poder afirmar que la inflación está demostrada experimentalmente fuera de toda duda (aunque la mayoría de los físicos teóricos, yo incluido, creemos que es la teoría correcta). Esta figura está extraída de Komatsu, E., et.al., “Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Interpretation,” ApJS, 192, 18 (2011) [ApJ / preprint / astro-ph]. Sin embargo, la prueba definitiva será la observación de ondas gravitatorias producto de la inflación. Si queremos ser rigurosos, los datos de WMAP 7 son compatibles con la inflación, pero no demuestran la inflación (aunque Hawking, Zel’dovich y muchos otros hayan afirmado sí lo demuestran fuera de toda duda).

PS: He cambiado “verificación experimental” por “evidencia experimental,” es decir, por pruebas fuera de toda duda. Hoy en día los hechos experimentales que llevaron a la propuesta de la teoría de la inflación son los únicos que la apoyan. Hay pruebas que podrían estar en contra de la teoría y no lo están (como las de WMAP 7) pero no hay pruebas indiscutibles que permitan discernir entre la inflación y otras teorías que también explican los hechos experimentales que la apoyan.

PS (3 junio 2012): Los que tengan acceso disfrutarán con el interesante artículo de Amanda Gefter, “Bang goes the theory,” New Scientist, 30 june 2012. “El gran problema de la inflación es que una vez que empieza no puede parar, con lo que tras el Big Bang se forman infinidad de “universos” o lo que muchos llaman un “multiverso” inflacionario. Esto es un problema porque resta valor predictivo a la inflación (predecirlo todo es lo mismo que no predecir nada).”

El artículo propone como más razonable una reinterpretación del Big Bang de mano de la teoría de cuerdas, como dos branas que colisionan. Ciertos cálculos recientes apuntan a que este modelo tiene las mismas consecuencias que la inflación, por lo que predice una “inflación aparente” y un “Big Bang aparente.” Una propuesta sugerente aunque todavía muy alejada de lo medible de forma experimental.

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.

La anomalía de los antineutrinos en los reactores nucleares y los neutrinos estériles

Hay muchas noticias científicas de las que no nos hemos hecho eco en este blog, pero quizás tendríamos que haberlo hecho. En enero estuve a punto de hablar del artículo de G. Mention et al., “The Reactor Antineutrino Anomaly,” Phys. Rev. D 83: 073006, 2011 (ArXiv preprint, 14 Jan. 2011). Un artículo citado más de 40 veces en ArXiv y una de las noticias más importantes del año en cuanto a la física de los neutrinos (junto al descubrimiento de que el ángulo θ₁₃≠0). Los autores de este estudio descubrieron una anomalía sin explicación tras mejorar las técnicas para la predicción teórica de los resultados en su artículo Th.A. Mueller et al., “Improved Predictions of Reactor Antineutrino Spectra,” Phys. Rev. C 83: 054615, 2011 (ArXiv preprint, 14 Jan. 2011). Quizás sea buen momento de retomar esta cuestión, que he recordado por los recientes comentarios de Juan F. González Hernández en una entrada anterior. Por cierto, la noticia apareció ya en muchos medios gracias a Eugenie Samuel Reich, “The amazing disappearing antineutrino,”  News, Nature, Published online 1 April 2011.

La producción de antineutrinos en los reactores nucleares es debida a la desintegración beta, la transformación de un neutrón en un protón en el interior del núcleo inestable de un elemento radiactivo con la consiguiente emisión de un electrón y un antineutrino, con lo que el nucleido (A,Z) se transforma en (A,Z+1). Un análisis de 19 resultados publicados sobre el flujo de neutrinos en reactores nucleares ha encontrado un defecto en el flujo de antineutrinos en los detectores que se encuentran a menos de 100 metros del reactor. Un defecto del orden del 3% en el flujo de antineutrinos producido por los isótopos radiactivos ²³⁵U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu y ²³⁸U. El nuevo artículo afirma que el cociente entre la tasa de eventos observada y la predicha es de 0,943±0,023, que implica una desviación respecto a la unidad con una nivel de confianza del 98,6% (2,2 σ). ¿Qué puede explicar esta anomalía? Obviamente, podemos ser malos y pensar que los nuevos cálculos teóricos de Th.A. Mueller et al. para la tasa de emisión de antineutrinos por reactores  ocultan algún fallo que nadie ha sabido ver aún (los cálculos previos no predecían la anomalía conduciendo a 0,976±0,024). Otra posibilidad es que la anomalía observada, de solo 2,2 σ de confianza, podría ser una fluctuación estadística o el efecto de errores sistemáticos; hay que recordar que menos de 100 metros es una distancia muy corta para observar oscilaciones de neutrinos; aunque en descargo de los autores, que una fluctuación estadística esté correlacionada en 19 experimentos diferentes parece poco probable. Finalmente, la posibilidad más interesante es que estemos ante una señal de nueva física más allá del modelo estándar.

Mention et al. han estudiado la posibilidad de que la anomalía que han observado tenga su origen en la existencia de un cuarto neutrino estéril (los neutrinos faltantes oscilarían (cambiarían de tipo/sabor) a dicho neutrino). Combiando sus nuevos resultados con los de los experimentos GALLEX-I, GALLEX-II, SAGE-Cr, SAGE-Ar y MiniBooNE confirman dicha hipótesis (descartan la hipótesis contraria de que no haya oscilación al 99,8% C.L. o con una confianza de 3 σ). El problema con la existencia de este neutrino estéril es que su existencia junto a la anomalía de antineutrinos descartan al 90% C.L. que el ángulo θ₁₃>0 (el otro gran resultado de este año en física de neutrinos que contamos en “Los seis neutrinos que cambiaron el mundo“). Sin embargo, no todos los físicos están de acuerdo con este análisis de Mention et al. Por ejemplo, Schwetz et al. afirman que la anomalía es compatible con θ₁₃>0 con una confianza de 1,8  σ, y Fogli et al. que afirman que es compatible con sin² θ₁₃= 0,025 ± 0,007 con una confianza de 1 σ.

Cualquier evidencia de nueva física más allá del modelo estándar introduce una chispa en la mente de los físicos teóricos que no pueden evitar ofrecer soluciones “exóticas” (quizás sea parte de la genética de los físicos teóricos). Por ejemplo, la anomalía de los antineutrinos en los reactores podría estar causada por las dimensiones extra del espaciotiempo, como nos propone Pedro A.N. Machado et al., “An Alternative Interpretation for the Gallium and Reactor Antineutrino Anomalies,” ArXiv preprint, 12 Jul. 2011; ver también P.A.N. Machado, “Large extra dimensions and neutrino oscillations,” NuFact Aug 06, 2011.

Ya hemos hablado de neutrinos estériles en varias ocasiones en este blog (tanto a favor, como en contra de su existencia). Los fermiones con masa, partículas de espín 1/2 como el electrón, tienen dos componentes de helicidad definida, e_L y e_R; sin embargo, los fermiones sin masa pueden tener una sola componente de helicidad definida, como se pensaba que pasaba con los neutrinos antes de que se descubriera que tenían masa, ν_eL, ν_μL y ν_τL. Ahora que sabemos que los neutrinos tienen masa, luego tienen que existir sus componentes ν_eR, ν_μR y ν_τR. Hay dos posibilidades, que el neutrino sea una partícula de Dirac, como el electrón, o que el neutrino sea una partícula de Majorana (en cuyo caso sería idéntica a su antipartícula). La mayoría de los físicos teóricos prefieren esta última posibilidad, pero los datos experimentales todavían no han podido verificarla. Un neutrino estéril ν_sL sería un neutrino anti-ν_R de baja masa que no interacciona mediante las interacciones fundamentales del modelo estándar (las interacciones electrodébil y cromodinámica), pero que puede oscilar con los otros tres neutrinos.

La física de los neutrinos es una de las ramas de la física de partículas más excitantes en estos momentos que promete gran número de sorpresas en la presente década. Una de estas sorpresas podría ser el descubrimiento de la existencia de los neutrinos estériles que podrían ser la antesala a efectos más exóticos (como la violación de la simetría CPT). Los neutrinos estériles también podrían ser un candidato a explicar la materia oscura del universo (no sería materia oscura caliente, solo cálida o warm dark matter), aunque tendrían que tener una masa mucho mayor de 1 eV y los datos cosmológicos apuntan a que la suma de las masas de todos los neutrinos (incluidos los estériles, si existen) es inferior a 1 eV. De hecho, los datos del fondo cósmico de microondas de WMAP-7 son compatibles con la existencia de 3+1 neutrinos (aunque no descartan que haya solo 3 neutrinos). Además, resultados preliminares de IceCube se interpretan mejor con 3+1 neutrinos, aunque tampoco descartan que haya solo 3 neutrinos. Muchos resultados experimentales están a favor de la existencia de los neutrinos estériles y muchos otros están en contra. De hecho, hay quien a propuesto un modelo 3+2, con dos neutrinos estériles como una solución de compromiso que evitaría muchas de las dificultades en contra de la existencia de un solo neutrino estéril (como J. Kopp et al., “Are there sterile neutrinos at the eV scale?,” ArXiv preprint, 23 Mar 2011).

La teoría de la inflación eterna, el multiverso y una noticia errónea en BBC News

Observación de un "universo burbuja" en datos simulados superpuestos a los datos de WMAP-7.

Las noticias científicas de BBC News  eran una fuente fiable de información, pero un día dejaron de serlo. No sé que pasó, pero algo tuvo que pasar. Quizás ahora tienen que buscar el sensacionalismo a ultranza para que alguien les lea. El 3 de agosto podíamos leer: ”Un equipo de científicos ha encontrado una prueba de la existencia de un “universo burbuja” en los datos de WMAP. La idea del multiverso ha recibido un fuerte impulso.” ¡La bomba! Pero la noticia no es cierta. El equipo de científicos no ha encontrado ninguna prueba de la interacción entre universos burbuja en los datos WMAP-7. Han desarrollado unos nuevos algoritmos de análisis para la búsqueda de dichas interacciones en el marco de la teoría de la inflación eterna y han probado dichos algoritmos con los datos de WMAP-7, a la espera de los datos del satélite Planck. No han encontrado nada en absoluto. ¿Por qué entonces el periodista científico afirma que lo han hecho? Ha interpretado mal la noticia publicada por el servicio de noticias de la Universidad de estos científicos. La cuestión es, ¿lo ha hecho con intención, buscando el sensacionalismo, o sin ella, por puro error? Quizás nunca lo sepamos. La noticia original mal interpretada ha sido traducida por Kanijo, “Primer test observacional para el ‘multiverso’,” Ciencia Kanija, 4 ago. 2011 (traducción de esta noticia del University College of London). La noticia errónea es Jason Palmer, “‘Multiverse’ theory suggested by microwave background,” BBC News, 3 August 2011. Yo hace tiempo que ya no leo las BBC News sobre ciencia. Me he enterado de todo esto gracias a Peter Woit, “This Week’s Hype,” Not Even Wrong, Aug. 5, 2011.

El satélite Planck analizará el fondo cósmico de microondas (CMB) con tal precisión que muchos creen que decidirá de forma definitiva si la inflación cósmica ha existido o no, al tiempo que determinará sus propiedades más importantes. Hay muchos modelos para la inflación cósmica, pero el preferido por muchos cosmólogos es la inflación eterna de Vilenkin (o inflación caótica de Linde). En este modelo nuestro universo es una burbuja en un multiverso formado por infinidad de universos burbuja. Hay versiones de este modelo que permiten que estas burbujas interactúen entre sí gracias a la gravedad. En dichas versiones de la teoría sería posible observar trazas de esta interacción en el análisis del fondo cósmico de microondas. Nadie espera que los datos WMAP-7 muestren dichas trazas y habrá que esperar a los datos de Planck sobre el CMB que se publicarán en 2013. Los algoritmos para el análisis de estos datos en busca de señales de la interacción entre universos burbuja ya han sido desarrollados y han sido probados con los datos del satélite WMAP-7. Se confirma lo esperado, no se ha encontrado ninguna señal que apunte a que dicha interacción exista (pero se ha limitado el rango de ciertos parámetros caso de que dicha interacción exista). Más aún, no se ha encontrado ninguna señal de la inflación eterna en los datos de WMAP-7. Aunque el resultado haya sido negativo, los nuevos métodos de análisis se han publicado, como no, en Physical Review Letters (Stephen M. Feeney et al., “First Observational Tests of Eternal Inflation,” Phys. Rev. Lett. 107: 071301, August 8, 2011 [preprint en ArXiv, 9 Dec. 2010]); el análisis más detallado aparece en Physical Review D (Stephen M. Feeney et al., “First observational tests of eternal inflation: Analysis methods and WMAP 7-year results,” Phys. Rev. D 84: 043507, August 8, 2011 [preprint en ArXiv, 16 Dec. 2010]).

El preprint de estos artículos apareció en ArXiv en diciembre de 2010; entonces Sean Carroll invitó a uno de los coautores a escribir una entrada para su blog sobre los resultados, Matthew C. Johnson, “Observing the Multiverse (Guest Post),” Cosmic Variance, Dec. 22, 2010. Por lo que parece la sugerencia de publicar el resultado negativo junto con la descripción del nuevo método fue de uno de los revisores. Pero parece que este énfasis en el resultado negativo impuesto por el revisor no es tenido en cuenta por los periodistas que se hacen eco de estos artículos (Miriam Frankel, “Testing the Multiverse. Does the CMB sky show signatures of other universes?,” FQXi News, August 3, 2011). Una pena.

Más en este blog sobre estos temas: “La inflación cósmica y las anisotropías en la polarización del fondo cósmico de microondas,” 14 octubre 2010; “Lo que se descubrirá sobre el universo gracias al satélite Planck,” 22 febrero 2010; y “WMAP-1, WMAP-3, WMAP-5, WMAP-7, Penrose y el multipolo l=40,” 30 noviembre 2010.

El efecto de Sunyaev-Zel’dovich demuestra que una burbuja cósmica vacía no puede explicar la energía oscura

Una explicación sencilla para la energía oscura es que vivimos en una región del universo especial, una burbuja vacía con una 90% de materia oscura y un 10% de materia (bariónica). Un artículo que estudia el efecto de Sunyaev-Zel’dovich en el fondo cósmico de microondas mediante los telescopios de Atacama en Chile y el Telescopio del Polo Sur ha demostrado, fuera de toda duda, que dicha idea es incorrecta. Si viviéramos en una macroburbuja cósmica quedarían marcas en las anisotropías del fondo cósmico de microondas y dichas señales no han sido observadas. Se creía que habría que esperar a los primeros datos del satélite Planck (primavera de 2013) para resolver esta cuestión, pero los telescopios terrestres están logrando anticipar estos resultados. El artículo técnico es Pengjie Zhang, Albert Stebbins, “Confirmation of the Copernican Principle at Gpc Radial Scale and above from the Kinetic Sunyaev-Zel’dovich Effect Power Spectrum,” Physical Review Letters 107: 041301, July 21, 2011. Nos lo ha contado Jessica Thomas, “No privilege for earthly observers,” Physics, July 22, 2011.

El modelo cosmológico de consenso utiliza el principio de Copérnico según el cual no hay nada especial en la región del universo más cercana a nosotros. La aceleración de la expansión cósmica del universo tiene su origen en un fenómeno desconocido llamado energía oscura. Sin embargo, en 2001 se propuso una explicación alternativa a la energía oscura basada en una violación del principio de Copérnico en nuestro entorno local del universo. Si nosotros viviéramos en una enorme burbuja cósmica vacía, se podría explicar la aceleración “aparente” de la expansión cósmica sin recurrir al engorroso concepto de energía oscura. Nos encontraríamos cerca del centro de un vacío de materia de tal forma que la materia más densa en su alrededor tira hacia del espaciotiempo que nos rodea. La idea es sencilla y si se elegían bien los parámetros de la burbuja, los datos sobre el fondo cósmico de microondas obtenidos por el satélite WMAP eran compatibles con dicha idea. Se esperaba, sin embargo, que los datos de Planck pudieran refutarla.

El nuevo artículo que aparece en Physical Review Letters, firmado por Pengjie Zhang (Observatorio Astronómico de Shanghai) y Albert Stebbins (Fermilab) demuestra con observaciones mediante telescopios terrestres, que el modelo del vacío cósmico para explicar la energía oscura no se sostiene. Han estudiado el efecto de Sunyaev-Zel’dovich, la dispersión de fotones del fondo cósmico de microondas (CMB) que por efecto Compton inverso colisionan con electrones de alta energía en supercúmulos galácticos, desplazando su frecuencia hacia el azul. Si hubiera un vacío cósmico en la escala de los gigaparsecs, se observarían variaciones en la temperatura de la radición del fondo cósmico de microondas. Como dicha heterogeneidad no ha sido observada, se puede descartar la hipótesis del vacíó cósmico (en este blog ya habíamos hablado de dicha hipótesis).

Observada por primera vez el efecto de una lente gravitatoria en el fondo cósmico de microondas

 

Un grupo de astrónomos liderados por Sudeep Das, de la Universidad de California, Berkeley, ha detectado por primera vez el efecto de una lente gravitatoria en el fondo cósmico de microondas (CMB). Han utilizado el Telescopio Cosmológico de Atacama (Chile) que permite estudiar las anisotropías del CMB con una precisión 20 veces mayor que la obtenida por el satélite WMAP. Esta detección es una prueba fehaciente de que las leyes físicas de la gravedad también se aplican en el universo antes de la formación del CMB. Más aún, el análisis futuro de otras lentes gravitatorias en el CMB permitirá conocer muchos detalles del modelo cosmológico de consenso.  Los datos que publicará el satélite Planck sobre el CMB en 2013 prometen ser apasionantes (y presentarán muchos ejemplos de lentes gravitatorias en el CMB). Nos lo cuenta Yudhijit Bhattacharjee, “Peering Back 13 Billion Years, Through a Gravitational Lens,” News & Analysis, Science 332: 522, 29 April 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Sudeep Das et al., “The Atacama Cosmology Telescope: Detection of the Power Spectrum of Gravitational Lensing,” ArXiv, 10 Mar 2011 (accepted in PRL).

Das y su equipo han medido la función de correlación entre cuatro puntos en los mapas de temperatura de alta resolución del CMB obtenidos por el ATC (Atacama Cosmology Telescope), un telescopio con un espejo de 6 metros situado en el desierto de Atacama, Chile, a 5200 metros de altitud.  El efecto de lente gravitatoria imprime un señal no gaussiana en los patrones de las anisotropías de la temperatura. Trabajos previos habían observado cierta evidencia (a 3 σ de confianza estadística) pero el nuevo trabajo lo confirma de forma irrefutable. El nuevo método de detección desarrollado por Das y su grupo ha sido validado mediante 480 simulaciones del mapa de temperaturas obtenido por el ACT. La figura que abre esta entrada muestra el ajuste el espectro observado experimentalmente (puntos rojos y barras de error (según los métodos de Montecarlo) en azul) y el mejor ajuste teórico a dicho espectro. El parámetro AL=1 indica la presencia del efecto de las lentes gravitatorias. Se ha obtenido un valor experimental ajustado con 5 datos de AL = 1’16 ± 0’29 (lo que corresponde a una detección a 4 σ). Restringiendo la medida a los primeros 3 datos se obtiene un valor de AL = 0’96 ± 0’31. El pico observado en el espectro a  z ≃ 2 corresponde a una distancia (conforme) de ≃ 5000 Mpc.

Lo más importante de esta observación es sus posibles implicaciones respecto a las observaciones del satélite Planck que medirá el CMB de forma mucho más precisa y permitirá observar múltiples efectos de lentes gravitatorias en el CMB.

Publicado en Science: Dónde está la materia oscura en el cúmulo de galaxias de Perseo

El cúmulo de galaxias de Perseo (Abell 426) es uno de los cúmulos galácticos más brillantes del cielo en la banda de rayos X y uno de los cúmulos con más masa del universo. Observaciones de rayos X obtenidas con el observatorio espacial Suzaku (misión conjunta NASA + JAXA) indican que este cúmulo tiene más materia ordinaria (bariónica)  de la que predicen los modelos cosmológicos, es decir, falta materia oscura. ¿Por qué Abell 426 contradice los datos cosmológicos de WMAP 7? Nadie lo sabe. Estudios anteriores habían encontrado que faltaba materia en la parte exterior del cúmulo por lo que se pensaba que existía allí materia oscura. Sin embargo, el nuevo estudio demuestra que no es necesaria la materia oscura para explicar la dinámica de este cúmulo. ¿Por qué no hay materia oscura en uno de los mayores cúmulos galácticos del universo? Nadie lo sabe. Se ha logrado determinar la masa bariónica del cúmulo porque sus galaxias están inmersas en un gas caliente a millones de grados que emite rayos X que han sido detectados por Suzaku (Perseo es el cúmulo galáctico que emite en rayos X más cercano a nuestra galaxia). Suzaku ha demostrado que el cúmulo tiene un diámetro de 11’6 millones de años luz (un radio de 1’79±0’04 megapársec) y contiene unos 665 billones de veces la masa del Sol (6’65±0.44 × 10¹² MS). El artículo técnico es Aurora Simionescu et al., “Baryons at the Edge of the X-ray–Brightest Galaxy Cluster,” Science 331: 1576-1579, 25 March 2011 [gratis en ArXiv].

La figura clave del artículo nos muestra la fracción de gas caliente (materia bariónica) en función de la distancia al centro del cúmulo. Para el radio total del cúmulo, eje de abcisas con valor r/r200 = 1, la fracción de gas es del 23%, aunque a mitad de distancia, r/r200 = 0’5, el valor se reduce al 12%. Estudios anteriores (puntos azules y curva verde) estimaron la masa bariónica del cúmulo por debajo del 15%. Como se observa en la figura conforme nos alejamos del centro del cúmulo la cantidad de materia bariónica crece y sorprende que el resultado final ronde el 23%, la predicción de WMAP 7 para la cantidad de materia oscura del universo.

El cúmulo de galaxias de Perseo (Abell 426) es uno de los cúmulos galácticos más brillantes del cielo en la banda de rayos X y uno de los cúmulos con más masa del universo, formado por un grupo de más de mil galaxias enanas (elípticas y lenticulares) colocadas a unos 250 millones de años de luz de distancia de la Vía Láctea. La imagen de arriba muestra el cúmulo en el espectro visible. La galaxia más brillante (en rayos X) y más característica del cúmulo es NGC 1275 (abajo una foto de ella obtenida por el telescopio espacial Hubble). Esta galaxia está colocado más o menos en el centro del cúmulo. Todas las galaxias del cúmulo están inmersas en una enorme nube de gas caliente a varios millones de grados. NGC 1275 es una galaxia activa con un superagujero negro que está engullendo galaxias enteras y que emite una prodigiosa cantidad de rayos X de alta energía. ¿De alguna manera esta enorme emisión ha expulsado la materia oscura del entorno exterior del cúmulo? ¿Qué ha pasado con la materia oscura que debería estar en el cúmulo de Perseo? Muchas preguntas sin respuesta que serán objeto de intensas investigaciones por parte de los astrofísicos y cosmólogos.

WMAP-1, WMAP-3, WMAP-5, WMAP-7, Penrose y el multipolo l=40

WMAP-1

WMAP-3

WMAP-5

WMAP-7

Hace tiempo que quería presentar en una entrada los espectros de momentos multipolares obtenidos por el satélite WMAP tras el análisis de 1, 3, 5 y 7 años para el fondo cósmico de microondas. El reciente artículo de Penrose y Gurzadyan que ha copado todos los medios es una excusa tan buena como cualquier otra. El pequeño pico en el momento multipolar l=40, que en la figura para WMAP-1 está muy clarito, pero es bien visible en todos los espectros, no tiene una explicación (fácil) dentro del modelo cosmológico de consenso. El pico para l=22 tampoco. ¿Son meros datos espurios o se esconde en ellos nueva física? Para Penrose y Gurzadyan el pico l=40 es una señal de la física anterior a la gran explosión (big bang), una señal de que el universo es cíclico. Círculos concéntricos separados por una distancia angular de aproximadamente 5º en el fondo cósmico de microondas. ¿Exagerado? Quizás, pero si Penrose abre la boca todo el mundo se hace eco de lo que diga y muy pocos se atreven a criticarlo, aunque haya que tener mucha imaginación para ver los susodichos círculos en las imágenes del WMAP. Pero ya sabe, miras una nube, ves un elefante, ves un gallifante, o recuerdas que sobre gustos no hay nada escrito. 

Si te apetece leer el artículo técnico (si eres de los pocos que no lo ha leído aún) es V.G. Gurzadyan, R. Penrose, “Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity,” ArXiv, 16 Nov 2010. Me enteré de este artículo gracias a Philip Gibbs, “Concentric Circles in WMAP,” viXra log, Nov. 20, 2010. Me pareció curioso pero pensé “Kanijo ya lo traducirá.” Pero no, Kanijo, “Penrose afirma haber atisbado el universo antes del Big Bang,” Ciencia Kanija, 22 Nov. 2010, tradujo en su lugar a Edwin Cartlidge, “Penrose claims to have glimpsed universe before Big Bang,” PhysicsWorld.com, Nov. 19, 2910. Muchos otros se han hecho eco de este “gran” trabajo de Penrose, como Lubos Motl, ”Penrose’s CCC cosmology is either inflation or gibberish,” The Reference Frame, Nov. 27, 2010. Pero lo que me ha sorprendido mucho es que la noticia no apareciera en Menéame hasta ayer domingo, obviamente, llegó a portada, pero con un título “curioso” y en inglés: “Un afamado astrofísico británico afirma haber hallado rastros de otro universo (ING)” [noticia de la BBC]. Pero, bueno, te estoy aburriendo, vayamos al grano.

Me ha gustado la explicación de Lubos Motl, “What Penrose and Gurzadyan have rediscovered is the WMAP excess at L=40,” The Reference Frame, Nov. 29, 2010. Si no la has leído aún, te la recomiendo (la traduciría, pero estoy cansado). Merece la pena, aunque no te guste el estilo habitual de Lubos, esta entrada está muy bien trabajada.

Todo esto y la entrada de J.L. Rodri, “La esfera de Poincaré, ¿la forma de nuestro universo?,” Juegos Topológicos, Feb. 14, 2009, me ha recordado el trabajo de Jean-Pierre Luminet que publicó en Nature la hipótesis de que el universo es multiplemente conexo y tiene la geometría/topología de una esfera homológica de Poincaré. Su objetivo era explicar la divergencia de los multipolos l=2 (cudripolo) y l=3 (octopolo) en los datos de WMAP-1 (primera figura de esta entrada) respecto al modelo cosmológico de consenso (que asume que el universo es simplemente conexo y plano). Las figuras de WMAP-3 a WMAP-7 muestran que el octopolo l=3 se aproxima muy bien por un universo plano y solo queda por explicar el comportamiento del cuadripolo l=2. El modelo de Luminet queda descartado, pero ¿por qué el cuadripolo difiere de lo esperado para un universo plano? Seguramente porque el error en las medidas del fondo cósmico de microondas es muy grande ya que el ruido de fondo (quizás con origen en el polvo de nuestra galaxia o algo por el estilo) impide una medida con la precisión suficiente (ver la banda azul grisáceo en las figuras).

Habrá que esperar al año 2012 cuando se publiquen los primeros datos del satélite Planck para saber si el comportamiento de los multipolos l=40 y l=22 es un artefacto de WMAP o por el contrario es una realidad física que merece una explicación. No creo que Planck pueda aportar nada respecto al cuadripolo l=2, pero quien sabe. Por cierto, os recomiendo “Lo que se descubrirá sobre el universo gracias al satélite Planck,” 22 Febrero 2010.

La inflación cósmica y las anisotropías en la polarización del fondo cósmico de microondas

El análisis de las anisotropías del fondo cósmico de microondas (FCM) ha permitido confirmar la existencia de un periodo inflacionario en los primeros instantes de la gran explosión. Los detalles de este periodo y el modelo teórico que mejor lo explican requieren estudiar ciertas anisotropías de la polarización del FCM (los llamados modos B). Estos modos son resultado de las perturbaciones en la curvatura del espaciotiempo (ondas gravitatorias) que se produjeron durante la inflación cósmica debido a las fluctuaciones cuánticas del campo escalar responsable de la misma (llamado inflatón) que fueron amplificadas por la inflación cósmica. No se sabe si existen estos modos B pues los experimentos cuyos resultados han sido publicados hasta hoy no tienen sensibilidad (o resolución) suficiente para observalos. El satélite Planck y varios experimentos en curso en la Tierra (como BICEP-2) están estudiando estos modos y publicarán sus resultados dentro de un año o año y pico. Aún así, permitidme recordar algunos hechos básicos sobre este tema tan interesante. A los interesados en más detalles les recomiendo las charlas de Daniel Baumann (Universidad de Harvard), “Probing Inflation with CMB Polarization,” Chicago, July 2009, y de Chao-Lin Kuo (Universidad de Stanford), “CMB Polarization Experiments: Status and Prospects,” KITP, 25 Mar 2010 [disponible en vídeo]. Para los interesados en detalles técnicos, recomiendo el artículo técnico Daniel Baumann et al. (White Paper of the Inflation Working Group), “CMBPol Mission Concept Study: Probing Inflation with CMB Polarization,” AIP Conf. Proc. 1141: 10-120, 2009 [ArXiv, 24 Nov 2008].

Esta entrada viene a colación por la publicación en Physical Review Letters de un artículo técnico que presenta un procedimiento futuro para la detección de las ondas gravitatorias primordiales originadas durante la inflación gracias al análisis de la línea de 21 cm en la radiación cósmica asociada a la reionización del hidrógeno. El artículo nos da una noticia buena junto a otra mala. La buena es que este análisis permite observar características propias de la inflación que nos permitirán determinar el modelo inflacionario correcto. La mala es que la sensibilidad necesaria para lograrlo está muchos órdenes de magnitud por encima de lo que los experimentos actuales pueden alcanzar y los propios autores califican su propuesta como “very futuristic” (para un futuro lejano). Aún así, recomiendo a los interesados los detalles del análisis realizado por Kiyoshi Wesley Masui, Ue-Li Pen, “Primordial gravity wave fossils and their use in testing inflation,” Phys. Rev. Lett. 105: 161302, 15 october 2010 [ArXiv, 1 Sep 2010]. Permitidme unas líneas sobre cuáles son los límites actuales sobre el valor del parámetro r.

La teoría de la inflación de Guth (1980) afirma que la expansión del universo pasó por una época temprana de expansión acelerada en la que la métrica del espaciotiempo tenía la forma

debido a la existencia de una densidad de energía casi constante

 

y una presión negativa

La existencia de perturbaciones en la curvatura del espaciotiempo tras el periodo inflacionario resulta en un métrica dada por

donde representa las perturbaciones en la curvatura. Estas perturbaciones pueden ser estimadas en el fondo cósmico de microondas gracias al análisis de la correlación entre la polarización observada en puntos separados por una distancia similar a la del horizonte cósmico, . El análisis detallado es complicado y requiere técnicas muy avanzadas (la colaboración del satélite Planck tiene unos 200 físicos teóricos dedicados a ello). La amplitud de estas correlaciones se caracteriza por el parámetro r, el cociente entre la amplitud de las perturbaciones tensoriales y la amplitud de las escalares. Hoy sabemos que el parámetro r<0’22 y se espera que el satélite Planck alcance una sensibilidad mejor que r<0’01. Muchos modelos inflacionarios predicen valores de r≈0’1, por lo que Planck permitirá descartar o confirmar estos modelos de la inflación. Las fluctuaciones en la línea de 21 cm asociada a la reionización del hidrógeno propuesta en el artículo de Physical Review Letters permitirá medir (en un futuro lejano) valores de r hasta 0’000001.

La inflación cósmica resuelve el problema del horizonte cósmico, por qué el universo parece homogéneo e isótropo a grandes escalas (principio cosmológico), ya que en la teoría de la gran explosión (big bang) sin inflación el universo primigenio no tiene suficiente tiempo para alcanzar un equilibrio que garantice su homogeneidad e isotropía. La teoría de la inflación predice una señal que se puede observar en el fondo cósmico de microondas: sus perturbaciones deben estar en equilibrio térmico. Esta predicción ha sido confirmada por el satélite WMAP y otros experimentos (como el Sloan Digital Sky Survey). Por lo que hoy en día el modelo cosmológico de consenso acepta la inflación como un hecho probado.

¿Qué es lo que causa la inflación cósmica? Nadie lo sabe. Hay modelos clásicos de la inflación basados en cierto campo (partícula) escalar llamada inflatón. Hay varias propuestas teóricas para el inflatón (para los detalles de su potencial de autointeracción), pero la única manera de conocer estos detalles (y confirma que es la causa de la inflación) es necesario recurrir a estudios experimentales. La versión cuántica del campo del inflatón presenta fluctuaciones cuánticas;  éstas conducen a perturbaciones en la curvatura del espaciotiempo; que a su vez conllevan perturbaciones en la densidad de la materia/energía que contiene; y finalmente producen anisotropías en la polarización de la radiación de fondo cósmico de microondas que se pueden observar gracias a los experimentos. Las características de estas anisotropías tensoriales (asociadas a las ondas gravitatorias generadas por las perturbaciones en la curvatura durante la inflación) permiten conocer muchas propiedades de la inflación. Estas perturbaciones todavía no han sido detectadas (WMAP y otros experimentos solo han observado las perturbaciones escalares asociadas a la inflación pero no a sus detalles).

La detección de las perturbaciones tensoriales en el fondo cósmico de microondas requiere conocer en detalle su polarización (uno de los grandes objetivos de la misión Planck y de muchos experimentos en la Tierra como BICEP, Keck array, etc.). El campo tensorial de las anisotropías en la polarización del fondo cósmico de microondas se puede descomponer en dos tipos de modos multipolares, los llamados modos E y los llamados modos B (ver la figura que abre esta entrada). Si no existen perturbaciones tensoriales (fluctuaciones en la curvatura durante la inflación) el teorema de los modos B indica que solo existirán modos E (los modos B tendrán amplitud nula). La figura justo encima de este párrafo muestra la distribución esperada de modos E (curva verde) y B (curva roja) para perturbaciones escalares (izquierda) y tensoriales (derecha). En el primer caso hay modos B residuales debidos a los efectos de lente gravitatoria del espaciotiempo (“B (lensing)” en la figura) pero para los modos bajos (menores de 100) la presencia de modos B es muy fácil de distinguir de dichos modos residuales. El satélite Planck estudiará con sumo detalle los modos más bajos  (menores de 10). Experimentos como BICEP2 y Keck array estudiarán con detalle modos más elevados (entre 30 y 300).

¿Cuáles son los límites actuales sobre la existencia de modos B? Los resultados al respecto del satélite Planck no serán conocidos hasta dentro un año, como mínimo. Ahora mismo los mejores límites experimentales se muestran en la figura de arriba (fechada hace un año). El experimento BICEP (sito en la Antártida) nos ofrece los mejores límites para los modos multipolares entre 30 y 200, y QUaD entre 200 y 2000. Por el momento, estos experimentos no pueden descartar la existencia de modos B debidos a la inflación cósmica. BICEP-2, actualmente en curso, rebajará los límites de BICEP en al menos un factor de 100, y Keck array, en construcción,

Nuevo límite cosmológico (WMAP7+SN+BAO) para la masa del bosón de Higgs: [143'7, 167'0] GeV/c² (95% CL)

El modelo cosmológico estándar (ΛCDM) se basa en la existencia de la inflación cósmica en los primeros instantes de la gran explosión. Si el bosón de Higgs existe debe afectar a la inflación. El inflatón (un bosón escalar) está acoplado con el Higgs (otro bosón escalar) gracias a la gravedad. Lo poco que sabemos en la actualidad sobre la inflación cósmica permite acotar la masa del bosón de Higgs para que sea compatible con todo lo que sabemos sobre los primeros instantes del universo. Lucia Aurelia Popa y Ana Caramete han calculado la masa del bosón de Higgs compatible con los datos cosmológicos actuales según WMAP7, SN y BAO. El valor obtenido para la masa del Higgs es de 155’37 ± 3’85 ± δ GeV/c², donde el valor de |δ|≤11’1, con lo que la masa del Higgs debe estar en el intervalo [143'7, 167'0] GeV/c². El Tevatrón excluye un Higgs con masa en el intervalo [158, 175] GeV/c², por tanto, si los cálculos de estas físicos rumanas  son correctos (así como sus hipótesis), el bosón de Higgs tendrá una masa entre 144 y 158 GeV/c² y será descubierto en el Tevatrón del Fermilab a principios del año próximo. Os recuerdo que WMAP7 se refiere a las observaciones de las anisotropías del fondo cósmico de microondas en los 7 primeros años de la sonda WMAP (publicados en enero de 2010), SN se refiere al análisis de distancias cosmológicas gracias a las supernovas tipo Ia, y BAO se refiere a las oscilaciones acústicas bariónicas que dependen de la distribución de materia en el universo medida por sondeos globales como el Sloan Digital Sky Survey (SDSS). A los interesados en más detalles técnicos les recomiendo la lectura de L.A. Popa, A. Caramete, “Cosmological Constraints on Higgs Boson Mass,” ArXiv 7 Sep 2010 (aceptado para publicación en The Astrophysical Journal), y del análisis previo de L.A. Popa, “Higgs mass from cosmological and astrophysical measurements,” ArXiv, 28 Oct 2009. El análisis previo se basó en WMAP5+SN+BAO y arrojó para el Higgs una masa en el intervalo [137'4, 158'7] GeV/c² (68% C.L.). Buenas noticias para el Tevatrón del Fermilab, sin lugar a dudas.

Publicado en Science: La medida más precisa de la ecuación de estado para la energía oscura

El modelo cosmológico de consenso con materia oscura fría y energía oscura asume que el universo es plano y que la ecuación de la energía oscura cumple w=–1. Los 7 primeros años de estudio del fondo cósmico de microondas gracias al satélite WMAP, publicados en enero de 2010, indicaron que la ecuación de estado de la energía oscura, para un universo plano, es w= –1’1 ± 0’14. Un nuevo artículo publicado en Science por Eric Jullo (Jet Propulsion Laboratory, CalTech, EE.UU.) y sus colegas ha encontrado que w= –0’97 ± 0’07, una confirmación sin precedentes del modelo cosmológico de consenso. Jullo et al. han combinado los nuevos resultados obtenidos gracias al Telescopio Espacial Hubble (cámara ACS) y al telescopio Keck (VLT) para el efecto de lente gravitatoria en el cúmulo de galaxias Abell 1689, con datos de otras fuentes como WMAP-5, SDSS, SNEssence y SNLS. Los autores han asumido que el universo es plano y que la constante de Hubble es 74 km/s/Mpc. El nuevo estudio tiene sus limitaciones. Por ejemplo, indica que la energía oscura constituye el 75 ± 5 % del universo, un valor mucho menos preciso que el obtenido por WMAP-7, en concreto, 72’8 ± 1’5 %. Aún así es un gran trabajo técnico del que se han hecho eco muchos medios, como “El universo se expande ilimitadamente,” BBC Ciencia, 20 agosto 2010 [visto en Menéame]. Para los interesados en los detalles, el artículo técnico es Eric Jullo et al., “Cosmological Constraints from Strong Gravitational Lensing in Clusters of Galaxies,” Science 329: 924-927, 20 August 2010.