Conferencia de Antonio Alfonso Faus: “Efecto de la expansión del universo sobre la velocidad de la luz”

Antonio Alfonso Faus, profesor emérito de la UPM (Escuela de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio), hablará sobre el “Efecto de la expansión del universo sobre la velocidad de la luz” el jueves 6 de junio de 2013, a las 19:00, en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos, Salón de Actos, Plaza del Cardenal Cisneros, Ciudad Universitaria, Madrid. La conferencia forma parte del programa de las Jornadas de Historia y Filosofía de la Ingeniería, la Ciencia y la Tecnología.

Resumen: “Desde hace casi un siglo se sabe que el universo se está expandiendo, y desde hace una década se ha anunciado que se expande aceleradamente. Estos hallazgos proceden de las mediciones de las frecuencias de la luz de galaxias lejanas, bajo el supuesto de que la velocidad c de la luz es constante. Este parece ser el caso dentro de nuestra galaxia, pero puede que no sea el caso en el espacio intergaláctico, por lo que es prudente y muy interesante analizar el efecto real de la expansión intergaláctica sobre esta velocidad. El efecto hace disminuir a la velocidad c a un ritmo determinado. Con ello la expansión misma que se calcula por las frecuencias resulta significativamente afectada y puede cambiar el panorama cosmológico actual.”

PS: El programa de las XVI Jornadas de Historia y Filosofía de la Ingeniería, la Ciencia y la Tecnología se inició el lunes 27 de de mayo y a partir de esta semana puedes disfrutar de las siguientes en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos. Avda. Complutense s/n. Ciudad Universitaria:

Martes 4 de junio. 19:00 horas. Mesa Redonda sobre: “Ecoemprendimiento: una oportunidad para la nueva ingeniería.” 

“El ecodiseño en la ingeniería agronómica.” D. Domingo Gómez Orea (Dr. Ingeniero Agrónomo. Catedrático de la U.P.M. Vocal del Comité de Ingeniería y Desarrollo Sostenible (CIDES) del I.I.E.)

“El empleo verde.” D. Enrique Rodríguez Fagúndez (Ingeniero Agrónomo. Licenciado en Derecho. Vocal del Comité de Ingeniería y Desarrollo Sostenible (CIDES) del I.I.E. Presidente del Comité de Tecnologías para la Defensa del I.I.E.)

“Metodología para el cálculo de indicadores de diagnóstico y seguimiento del cambio climático.” D. Juan José Prieto Viñuela (Licenciado en Ciencias Físicas. Dr. Ingeniero de Armamento. Dr. en Ciencias Económicas)

“Ecoworking, una iniciativa de trabajo en red.” D. Alejandro Gómez Villarino (Ingeniero Agrónomo)

“EMPRENDAE, ayudando a crear emprendedores.” D. Luis Morales Carballo (Experto en Eco-emprendimiento)

Miércoles 5 de junio. 19:00 horas. “En torno a la fuerza nuclear fuerte y su posible y trascendente relación con el electromagnetismo.” D. José Molina Rodríguez (Dr. Ingeniero del CIAC. Licenciado en Ciencias Físicas. Dos medallas de oro (una con mención especial) en la exposición de inventores de Bruselas, 1968. Vocal del Comité de Inventiva y Creatividad del I.I.E.)

Jueves 6 de junio. 19:00 horas. “El efecto de la expansión del Universo sobre la velocidad de la luz.” D. Antonio Alfonso Faus (Dr. Ingeniero Aeronáutico y Dr. en Ciencias Físicas y Matemáticas por la Universidad de Minnesota (USA). Profesor Emérito de la U.P.M.)

Lunes 10 de junio. 19:00 horas. “La ‘partícula de Dios’: el Bosón de Higgs.” D. Francisco González de Posada (Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Exrector de la Universidad de Cantabria. Académico de la Real Academia Nacional de Medicina).

Miércoles 12 de junio. 19:00 horas. “Ingeniería para la búsqueda de vida en los cuerpos celestes.” D. Antonio Martín-Carrillo Domínguez (Ingeniero Aeronáutico. Dr. en Ciencias Económicas y Empresariales. Máster MBA (USA). Presidente de Foro Aeronáutico). “¿Por qué existe el día con su noche velada de estrellas?” D. Juan Gerardo Muros Anguita (Ingeniero Aeronáutico y Vocal del Comité de Ingeniería y Sociedad de la Información del I.I.E.).

Jueves 13 de junio. 19:00 horas. “La riqueza de un lenguaje para un pase de modelos.” D. José Manuel Amaya García de la Escosura (Dr. Ingeniero Agrónomo. Profesor Emérito de la U.P.M. Vocal del Comité de Enseñanza del I.I.E.).

A partir del día 17 de junio puedes disfrutar de las siguientes charlas en el Instituto de la Ingeniería de España. C/ General Arrando, 38:

Lunes 17 de junio. 19:00 horas. “Mis relaciones con las matemáticas, la ingeniería y la agricultura.” D. Darío Maravall Casesnoves (Dr. Ingeniero Agrónomo y Dr. en Ciencias Matemáticas. Académico de las Reales Academias de Ciencias y de Doctores. Doctor Honoris Causa de la Universidad Politécnica de Valencia).

Lunes 24 de junio. 19:00 horas. “Aportación española a la ciencia y tecnología mundial.” D. Domingo Escudero López (Dr. Ingeniero Aeronáutico e Ingeniero Geógrafo. Académico Numerario de la Real Academia de la Mar. Presidente del Comité de Terminología del I.I.E.).

Martes 25 de junio. 19:00 horas. ACTO DE CLAUSURA en el Instituto de la Ingeniería de España. C/ General Arrando, 38. CONFERENCIA DE CLAUSURA “Ciencia, Ingeniería y Sociedad.” D. Edelmiro Rúa Álvarez (Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Profesor Emérito de la U.P.M. Exdirector de la E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos de Madrid. Expresidente del Colegio Nacional de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos).

Nuevo evento Naukas en Bilbao: “El universo en un día”

El cartel creado por Alejandro Polanco (@Alpoma) es espectacular, pero más lo van a ser todas las charlas de 25 minutos que mañana 25 de mayo podrás disfrutar en el Paraninfo de la Universidad del País Vasco en Bilbao. Un viaje apasionante desde los primeros instantes del universo hasta sus posibles finales, que disfrutarás sin lugar a dudas.

La entrada, como de costumbre, será gratuita hasta completar el aforo.

SÁBADO 25 DE MAYO 2013

10:00 – El Big Bang – Miguel Santander (Astrofísico y escritor de ciencia ficción)

10:30 – Las primeras galaxias – Javier Armentia (Astrofísico y director del Pamplonetario)

11:00 – La vida de las estrellas – Natalia Ruiz (Divulgadora científica)

12:00 – Formación del sistema solar – Ricardo Hueso (Profesor en la ETS de Ingeniería y miembro del Grupo de Ciencias Planetarias de la UPV/EHU)

12:30 – El nacimiento de la Tierra – César Tomé (Divulgador científico)

El origen de la vida – Carlos Briones (Científico del CSIC en el Laboratorio de Evolución Molecular del Centro de Astrobiología CAB-INTA)

17:00 – La evolución – Antonio Osuna “Biotay” (Divulgador científico)

17:30 – Vida y diversidad – Carlos Chordá (Divulgador científico)

18:00 – Los inicios del hombre – Pepe Cervera (Paleontólogo y divulgador científico)

19:00 – Cultura y evolución humana – Juan Ignacio Pérez (Catedrático de Cultura científica UPV/EHU)

19:30 – El futuro de la Humanidad, de figurante a guionista del universo – Gouki (Divulgador científico y transhumanista)

20:00 – El final del Universo – Aitor Bergara (Profesor de Física de la Universidad del País Vasco y miembro del Centro de Física de Materiales – CSIC-UPV)

Habrá streaming en directo del evento en EITB.com. Sigue este enlace.

En Twitter el hastag para mañana será #Naukas24h (todos esperamos que sea TT).

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.”

Francis en ¡Eureka!: El universo según el telescopio espacial Planck de la ESA

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para escuchar audio, son sólo 9 minutos. Como siempre una trasncripción libre del audio.

En el programa del 30 de diciembre de 2012 auguramos que una de las grandes noticias de 2013 sería los datos sobre el fondo cósmico de microondas del telescopio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA). Esta semana se han publicado los primeros datos, ¿han sido tan revolucionarios como se esperaba? Para muchos de nosotros ha sido una decepción, pues los datos que podrían ser más revolucionarios no se han publicado aún. El telescopio espacial Planck mide la radiación de fondo cósmico de microondas con una precisión sin precedentes, pero el análisis de los fenómenos más sutiles, que experimentos anteriores no podían observar, está resultando más difícil de lo esperado. Los científicos responsables de la misión Planck han prometido nuevos datos para dentro de unos seis meses (sobre la polarización) y para dentro de un año (sobre los modos B), resultados muy importante para conocer los detalles de la inflación cósmica. Aún así,  los resultados publicados esta semana son muy interesantes.

Muchos oyentes se preguntarán, ¿qué es el fondo cósmico de microondas que observa el telescopio espacial Planck? Todo el mundo ha oído hablar de la teoría del big bang (o gran explosión). En los primeros instantes del universo no había átomos, que se formaron cuando el universo tenía unos 380 mil años y una temperatura promedio de unos 4000 Kelvin. El plasma de protones, de carga positiva, y electrones, de carga negativa, se transformó en un gas neutro de átomos de hidrógeno cuando éstos se combinaron y el universo se volvió casi transparente a la luz, como es hoy en día. El plasma era luminoso porque las partículas con carga eléctrica absorben y reemiten fotones (partículas de luz). El fondo cósmico de microondas es el resultado de la luz que llenaba el universo cuando tenía sólo 380 mil años. Esta luz era visible (con un color blanquiazul parecido al de un tubo fluorescente). Al enfriarse el universo, la temperatura de la radiación se redujo y ahora mismo es muy fría, de sólo 2,72 55 Kelvin (grados sobre el cero absoluto de temperatura). Se trata de fotones de microondas, con frecuencias entre 25 y 1000 GHz (los teléfonos móviles emiten microondas por debajo de los 2 GHz) [que corresponden a longitudes de onda entre 1 cm y 0,3 mm, más o menos]. Como curiosidad, alrededor del 1% de la nieve que se veía en los televisores de tubo de rayos catódicos, cuando no sintonizaban ningún canal, era fondo cósmico de microondas recogido por la antena del televisor.

Si el fondo cósmico de microondas se formó cuando el universo tenía 380.ooo años, ¿cómo es posible que nos dé información sobre los primeros instantes del big bang? El fondo cósmico de microondas es muy homogéneo e isótropo, mires hacia donde mires en el universo siempre parece igual. Pero por fortuna muestra unas pequeñísimas variaciones (llamadas anisotropías). La temperatura del fondo cósmico de microondas varía menos de 0,0005 Kelvin, es decir, entre 2,725 y 2,726 Kelvin. Estas variaciones tan pequeñas son las que se muestran en los mapas del fondo cósmico de microondas. Se cree que el origen de estas anisotropías son las fluctuaciones cuánticas primigenias del universo, que han sido amplificadas por la expansión cósmica. También hay fluctuaciones de primer plano debidas a la gravedad de la materia y la energía que existe ahora mismo en el universo; las galaxias, los cúmulos galácticos y otras grandes estructuras del universo afectan al fondo cósmico de microondas. Por ello podemos aprender muchas cosas sobre el universo primigenio y sobre el universo actual gracias al análisis del mapa del cielo en microondas que nos ha ofrecido el telescopio espacial Planck de la ESA.

Los nuevos datos indican que el universo es más viejo de lo que se pensaba. ¿Cómo se puede saber la edad del universo midiendo el fondo cósmico de microondas? Me gustaría aclarar que no es verdad que ahora sabemos que el universo es más viejo, como han dicho algunos medios. Los últimos datos del telescopio espacial Wilkinson MAP de la NASA indicaban que el universo tenía una edad de 13.772 millones de años con un error de 59 millones de años. La nueva medida del telescopio espacial Planck de la ESA indica que el universo tiene 13.798 millones de años con un error de sólo 37 millones de años. El nuevo valor de la edad del universo está dentro del margen de error de la medida anterior. Por tanto, no es correcto decir que el universo es ahora más viejo. Sólo podemos decir que ahora conocemos mejor la edad que tiene. Esta edad se obtiene aplicando la teoría de la relatividad de Einstein para explicar el “sonido” de las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas. Igual que al escuchar música podemos saber qué instrumento musical la interpreta. Se puede analizar el espectro multipolar de la radiación cósmica y saber qué parámetros del universo la explican.

¿Qué sabemos ahora sobre el contenido de materia, materia oscura y energía oscura del universo? Quizás el resultado más sorprendente de Planck ha sido un cambio en las proporciones del contenido del universo actual. En concreto, contiene menos energía oscura de lo que se pensaba. Sólo el 68,3% del universo es energía oscura, cuando hace una semana se creía que era el 71,4%. Por tanto, la cantidad de materia ha crecido. Hoy sabemos que el contenido de materia oscura del universo es del 26,8%, cuando hace una semana se creía que era del 24%, y el materia ordinaria (lo que los físicos llamamos materia bariónica) también ha crecido hasta un 4,9% del universo. No son cambios muy grandes, pero el error experimental en los nuevos valores es mucho más pequeño, luego son valores mucho más fiables. Además, ahora sabemos que hay sólo 3 tipos de neutrinos. Medidas anteriores del fondo cósmico de microondas habían sugerido que podría haber un cuarto tipo, un neutrino estéril, pero la nueva medida de Planck lo descarta de forma definitiva. Más aún, Planck indica que la suma de las masas de los neutrinos es menor de 0,23 eV (aunque no impone un límite inferior). 

¿Se ha observado algo anómalo o inesperado sobre el universo? El telescopio espacial WMAP observó una anomalía en el fondo cósmico de microondas llamada con el curioso nombre de “eje del mal” y una mancha fría en la dirección de la constelación de Eridanus, llamado “punto frío de Eridanus”. Muchos expertos pensaban que era un error instrumental de WMAP y que el telescopio espacial Planck no observaría la misma anomalía. Sin embargo, para sorpresa de todos, estas dos anomalías también se observan en los nuevos datos. Estas anomalías podrían indicar que hay algo sobre el universo a gran escala que aún no entendemos bien.  Sin embargo, muchos físicos creen que no es algo preocupante porque estas anomalías están cerca del plano de la eclíptica (el plano del sistema solar donde están los planetas). Quizás lo que no entendemos bien son las fuentes de microondas en el entorno del sistema solar. Como siempre, el universo guarda secretos que han de ser desvelados por los cosmólogos y astrofísicos.

Como siempre, si no has oído aún el audio, sigue este enlace. 

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.

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.”

El bosón de Higgs y la naturaleza cuántica del tiempo

Visto gracias a Tito Eliatron.

¿Qué es el tiempo? Lo que miden los relojes. ¿Existe el tiempo en un universo en el que no se pude construir ningún reloj? Según las ideas de Albert Einstein, no existe lo que no se puede medir. ¿Se puede construir un reloj solo con fotones? No, por ello se suele decir que para un fotón no existe el tiempo, solo el espacio. ¿Se puede construir un reloj en un universo en el que no existen partículas con masa y todas se mueven a la velocidad de la luz? Construir un reloj requiere intercambiar partículas sin masa entre partículas con masa, utilizando solo las primeras es imposible construirlo. Durante la primera billonésima de segundo tras la gran explosión (el big bang) creemos que ninguna partícula tenía masa, salvo el bosón de Higgs (la única partícula capaz de interaccionar con el campo de Higgs en dicha época). La única partícula que permitía construir un reloj era el bosón de Higgs. La naturaleza del tiempo parece ligada de forma íntima al bosón de Higgs.

La idea de que el tiempo emerge a partir del campo de Higgs y de su interacción con las partículas ha sido concebida por mucha gente desde hace mucho tiempo. Por ejemplo, en el artículo de J. C. Jackson, “A quantisation of time,” J. Phys. A: Math. Gen. 10: 2115, 1977 (en el que tenemos que substituir la palabra “cronón” por “bosón de Higgs,” como el propio Jackson nos recuerda en “Time and the Higgs,” arXiv:1208.5390). La idea es que las partículas con masa tienen un reloj interno cuyo tic-tac viene marcado por su interacción con el campo de Higgs es incluso más antigua y se puede remontar a la idea original es de Louis de Broglie en su tesis doctoral de 1924. Como es obvio no mencionó de forma explícita el campo de Higgs, pero propuso que el electrón tiene un reloj interno cuya frecuencia era Hz. El zitterbewegung que introdujo Erwin Schroedinger en 1930 para entender la ecuación relativista de Dirac para el electrón puede considerarse como el “movimiento interno” del electrón intuido por De Broglie. Los que hayan leído “The road to reality” de Roger Penrose estarán pensando ahora en el zig-zag del electrón que se presenta en el capítulo 25. Las componentes zurdas (levógiras) y diestras (dextrógiras) del electrón se van intercambio vía su interacción con el campo de Higgs, dotando al electrón de masa y de un reloj interno. David Hestenes nos lo recordó en “Electron time, mass and zitter,” FQXi essay, 2012.

Estas fiestas de fin de año son el momento ideal para pensar en el tiempo, en la naturaleza del tiempo, en la naturaleza cuántica del tiempo. ¿Qué procesos físicos pueden ser utilizados como reloj en el universo antes de la transición de fase electrodébil? Alguno me dirá que estas cuestiones entre la filosofía y la física no son de su interés, pero yo he aprovechado para releer a Svend Erik Rugh, Henrik Zinkernagel, “On the physical basis of cosmic time,” Stud. Hist. Philos. Mod. Phys. 40: 1-19, 2009 [arXiv:0805.1947]; y para leer a Svend E. Rugh, Henrik Zinkernagel, “Weyl’s principle, cosmic time and quantum fundamentalism,” arXiv:1006.5848, 30 Jun 2010 (el principio de Weyl (1923) afirma que la materia contenida en el universo es suficiente para especificar un sistema de referencia para el espacio y para el tiempo), además de H. Zinkernagel, “Did time have a beginning?,” International Studies in the Philosophy of Science 22: 3, 2008.

Una vez comenté en este blog “Imaginad un mundo solo con gravitones (sin masa en reposo y con tiempo propio nulo). Para un gravitón el tiempo no existe (igual que para un fotón, no envejece). ¿Cómo se puede construir un reloj sólo con gravitones? Los relojes de luz de Einstein requieren dos objetos materiales (de masa no nula) entre los que se intercambia un fotón (masa nula). ¿Cómo podemos construir un reloj utilizando solo gravitones? ¿Qué es el tiempo si no lo que miden los relojes? ¿Sin relojes puede haber tiempo? Un reloj solo con fotones parece difícil de construir. ¿Un reloj con gluones? ¿Un reloj con gravitones? Qué diferencia estos últimos de los demás: su peculiar no linealidad (serie de potencias con todas las potencias, no truncada como para los gluones), el hecho de que tienen espín 2 (los otros tienen espín 1), o alguna otra cosa. No sé, siempre he pensado que esa otra cosa es la clave, la restricción que le falta a la gravitación de Einstein. Lo dicho, no tengo ni idea.”

Quizás necesitamos una teoría cuántica de la gravedad para entender cómo emerge el tiempo. Buscar “Time in quantum gravity” en Google Scholar permite ver gran número de ideas al respecto, la primera el clásico de H.D. Zeh, “Time in quantum gravity,” Physics Letters A 126: 311-317, 1988. Por cierto, la imagen del dragón de hielo y el problema del tiempo está extraída de Edward Anderson, “The Problem of Time and Quantum Cosmology in the Relational Particle Mechanics Arena,” arXiv:1111.1472 (cuya lectura es recomendada solo para quienes tengan tiempo de sobra, dadas sus 309 páginas).

Lo dicho, estas fiestas de fin de año son el momento ideal para pensar en el tiempo, …

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.

Conferencia en Madrid: “Mecánica Cuántica en la Puerta de la Cosmología”

El próximo miércoles 12 de diciembre, a las 13:30 en el Aula 502 del Edificio A de la E.U.I.T. Aeronáutica, Antonio Alfonso Faus impartirá la interesante conferencia “Mecánica Cuántica en la Puerta de la Cosmología.” Antonio es profesor emérito de la Univ. Politécnica de Madrid.

Supongo que Antonio nos hablará de sus últimas publicaciones: Antonio Alfonso-Faus, Màrius Josep Fullana i Alfonso, “Seeable universe and its accelerated expansion: an observational test,” arXiv:1209.1832; Antonio Alfonso-Faus, “Expanding versus non expanding universe,” Hadronic Journal 34: 165-178, 2011, arXiv:1207.0997; y Antonio Alfonso-Faus, Marius Josep Fullana i Alfonso, “Underpinning the universe: its scales, holography and fractality,” Gravitation and Cosmology, Russian Gravitational Society 18(2), 2012, arXiv:1201.4688. Más artículos de Antonio en ArXiv.

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.

El litio-7 en el medio interestelar como solución del problema del litio primordial

Estimación de la abundancia de litio-7 en el gas del medio interestelar de la Pequeña Galaxia de Magallanes (SMC), círculo rojo. Las zonas rayadas en azul y morado muestran la abundancia observada en las estrellas del halo y disco galáctico de la Vía Láctea (motivo del problema del litio primordial).

Los elementos más ligeros del universo se formaron durante el Big Bang en la nucleosíntesis primordial. El cociente entre el número de bariones y el de fotones, determinado gracias al análisis del fondo cósmico de microondas, permite estimar la abundancia de hidrógeno (H), deuterio (H-2), tritio (H-3), helio-3, helio-4, litio-6 y litio-7. Las medidas experimentales de la cantidad de litio-7 en la atmósfera de las estrellas del halo galáctico indica que la abundancia de litio-7 en el universo es entre 2 y 4 veces menor que el valor estimado por la teoría. Un nuevo artículo ofrece una solución muy sencilla a este problema, el litio-7 está en el medio interestelar de baja metalicidad. Los autores han estudiado la Pequeña Nube de Magallanes (NGC 292 o SMC) y han observado que la cantidad de litio-7 en el gas del medio interestelar coincide con la cantidad que falta en la atmósfera de sus estrellas, resultando un valor total que coincide con la teoría. Una solución sencilla a un problema muy difícil para el que se han ofrecido respuestas muy exóticas. Por supuesto, la estimación de la abundancia relativa de Li/H en el medio interestelar no es fácil y la incertidumbre de las medidas es muy grande. Habrá que esperar a verificaciones independientes para estar seguro de que se ha logrado la tan ansiada respuesta, pero el trabajo tiene muy buena pinta. El artículo técnico es J. Christopher Howk, Nicolas Lehner, Brian D. Fields, Grant J. Mathews, “The detection of interstellar lithium in a low-metallicity galaxy,” arXiv:1207.3081, Subm. 12 Jul 2012.

Esta entrada fue publicada el 11 de agosto y he cambiado la fecha porque ya se ha publicado el artículo de Howk et al. en Nature. 

PS (5 sep. 2012): El artículo ya se ha publicado: J. Christopher Howk et al., “Observation of interstellar lithium in the low-metallicity Small Magellanic Cloud,” Nature 489: 121–123, 06 September 2012. Recomiendo leer también a Garik Israelian, “Cosmology: The lithium problem. The theory that predicts how the lightest elements formed after the Big Bang has hitherto failed to explain the amount of cosmic lithium. The detection of interstellar lithium beyond the Milky Way gives this theory a boost,” Nature 489: 37–38, 06 September 2012.

Obviamente, que Howk y sus colegas hayan encontrado el litio-7 predicho por la teoría de la  Big Bang en una galaxia satélite de la Vía Láctea no es la solución definitiva al problema del litio primordial, pues aún hay que confirmar dicho resultado en otros lugares del universo y encontrar una explicación razonable a por qué falta litio en el halo galáctico de nuestra galaxia (que presenta solo un 25% del predicho).

Hay una diferencia entre la nueva medida y la realizada en el halo galáctico; la nueva ha buscado el litio en regiones de gas interestelar pobres en metales, mientras que la medida deficiente en litio se basa en la atmósfera de estrellas viejas que se encuentran en el halo galáctico y son ricas en metales. Quizás hay algún mecanismo estelar que es responsable de esta deficiencia (por ejemplo, la presencia de exoplanetas o estrellas compañeras). En ciencia, cada nueva respuesta va acompañada de muchas nuevas preguntas.

Los núcleos ligeros (hidrógeno, helio y litio) se crearon cuando el universo tenía entre 2 y 5 minutos de edad, cuando el plasma primordial se enfrió lo suficiente como para que los protones y los neutrones se unieran formando núcleos estables. La abundancia de litio es miles de millones de veces menor que la del hidrógeno y helio, porque el litio se consume más fácilmente en las estrellas y su entorno. La atmósfera exterior de las estrellas más viejas y frías de nuestra galaxia muestran entre 2 y 5 veces menos litio del predicho por la teoría; a principios de los 1980, los astrónomos descubrieron que las estrellas parecidas al Sol (pobres en metales) más viejas de nuestra galaxia tienen todas una cantidad de litio atmosférico muy similar (independientemente de su temperatura y contenido en metales), por lo que pensaron que era una huella de litio primordial.

Las observaciones del fondo cósmico de microondas (obtenidas por el satélite WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) permiten calcular el cociente entre el número de bariones (protones y neutrones) y fotones del universo, ofreciendo un valor unas cuatro veces mayor que el observado en las estrellas pobres en metales del halo galáctico. O la teoría de la nucleosíntesis primordial es errónea, o hay procesos por los que se destruye litio en las estrellas viejas. El nuevo trabajo de Howk y sus colegas apoya la segunda posibilidad (ellos han medido el litio en el gas interestelar pobre en metales). Sin embargo, en la actualidad no conocemos ningún proceso físico que explique el consumo de litio y que sea (casi) independiente de la temperatura de la estrella.

Como nos comenta Camille Carlisle, “Universe is Still Missing its Lithium,” Sky & Telescope, 5 sept. 2012, aún no podemos soñar con una solución para el problema del litio, ya que el litio en el gas interestelar no puede decrecer (no conocemos ningún mecanismo que lo permita), por lo que si su valor coincide con la predicción de la nucleosíntesis primordial debe ser porque inicialmente empezó con un valor inferior al predicho. El artículo de Howk y sus colegas también ha medido el nivel de litio-6, encontrando un valor unas mil veces mayor que el de litio-7. Este valor no se puede explicar con la teoría de la nucleosíntesis primordial, lo que sugiere que hay algún mecanismo que aún no conocemos que hace crecer el nivel de litio en el gas interestelar. Los próximos años prometen ser apasionantes en este tema.

Sobre el número de neutrinos según las medidas cosmológicas

La medida más reciente de la constante de Hubble, obtenida a partir de los datos del Hubble Space Telescope (HST) Key Project, ha reducido su error a solo el 2,8%, en concreto, H0 = 74,3 ± 2,1 km/s/Mpc. Este valor en combinación con otros datos cosmológicos apunta a que la ecuación de estado de la energía oscura es w = -1,08 ± 0,10, que el universo es plano Ωk = 0,007 ± 0,007, que la materia constituye el (27,8 ±  1,8) % y que el número efectivo de partículas relativistas es Neff = 4,13 ± 0,67. Este número difiere en dos sigmas del número de neutrinos medido en los experimentos de física de partículas, Neff = 3,05. El satélite Planck confirmará o refutará a principios de 2013 este resultado cosmológico. De hecho, fijando Neff = 3, se obtiene w = −1,38 ± 0,24. En estos cálculos se considera que la densidad de neutrinos (partículas relativistas sin masa) está relacionada con la densidad de fotones mediante la fórmula ρ(ν) = 0,2271 Neff ρ(γ). El resultado depende de si se toman o no hipótesis adicionales, como que el universo es plano (Ωk = 0) o que la ecuación de estado para la energía oscura es w = −1. La tabla de abajo muestra algunos de estos resultados. En la actualidad no se puede afirmar que estos datos cosmológicos apunten a la existencia de cuatro especies de neutrinos pues la incertidumbre todavía es muy alta. Más información en el artículo técnico Wendy L. Freedman et al., “Carnegie Hubble Program: A Mid-Infrared Calibration of the Hubble Constant,” arXiv:1208.3281, Subm. 16 Aug 2012.

PS (4 oct. 2012): Este resultado ha vuelto a ser noticia por la aceptación del artículo en The Astrophysical Journal 758: 24, October 1, 2012. Puedes consultar ”NASA’s Infrared Observatory Measures Expansion of Universe,” News, NASA, Oct. 3, 2012; “Measuring the Expansion of Universe – A Newly Refined Value for the Hubble Constant,” SciTechDaily, Oct. 4, 2012; y ”Expansion of Space Measurement Improved,” Carnegie Institution for Science, Oct. 3, 2012.

La banana cósmica primordial y la materia oscura “caliente”

El modelo cosmológico de consenso asume que la materia oscura es “fría” (CDM). La solución ideal viene de la mano de la supersimetría y el llamado “milagro WIMP,” una (super)partícula con una masa de unos GeV. Sin embargo, todos los experimentos que la han buscado han fallado. Además, los modelos numéricos de la dinámica de la formación galáctica en la era oscura del universo encuentran algunos problemas que podrían estar asociados a la materia oscura “fría” y que la materia oscura “caliente” podría resolver; en dicho caso se trataría de una partícula ultrarrelativista con una masa entre 1 y 10 keV (del orden del 10% de la masa del electrón). Lo más natural es pensar en los neutrinos estériles. Los últimos datos cosmológicos apuntan a un número de neutrinos (efectivos) igual a Neff≈4,0 (valor a confirmar de forma definitiva por el satélite Planck en febrero de 2013), pero solo hemos observado tres familias de neutrinos. ¿Cómo podemos encajar todas las piezas de este puzzle?

La extensión más sencilla del modelo estándar que explica estas discrepancias consiste en asociar a cada familia de leptones un neutrino estéril. Solo el más ligero (el asociado a la familia del electrón) tiene una vida media que le permite influir en los límites cosmológicos para el número efectivo de neutrinos y por eso Neff≈4,0. Este neutrino estéril es el candidato ideal a la partícula responsable de la materia oscura caliente. Los experimentos KATRIN y MARE podrían resolver esta cuestión ya que son sensibles a un neutrino estéril con una masa de hasta 18 keV. KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) estudia la desintegración beta del tritio en helio-3, y MARE (Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment) la del renio-187.

Desde el punto de vista de la cosmología, la idea de la materia oscura “caliente” está captando cada día más adeptos. Me lo ha recordado el modelo de la banana cósmica primordial de Norma G. Sánchez y sus colegas del Observatorio LERMA. Los interesados pueden consultar las charlas de Norma G. Sánchez, “The Primordial Cosmic banana from WMAP to Planck. Warm (keV)Dark Matter from primordial fluctuations and observations,” 15th Paris Cosmology Colloquium, Chalonge 2011, y “ΛWDM: Galaxy Formation in Agreement with Observations,” 16th Paris Chalonge Colloquium 2012, Paris Observatoire 25-27 July 2012. Para los que prefieren artículos técnicos, recomiendo H. J. de Vega, N. G. Sanchez, “Model independent analysis of dark matter points to a particle mass at the keV scale,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 404: 885, 2010 [arXiv:0901.0922], y H. J. de Vega, P. Salucci, N. G. Sanchez, “The mass of the dark matter particle from theory and observations,” New Astronomy 17: 653-666 (2012) [arXiv:1004.1908].

Uno de los problema más importantes del modelo de materia oscura “fría” (CDM) es que predice la formación de un número demasiado grande galaxias satélite durante las primeras fases de la evolución galáctica. El modelo de materia oscura “caliente” (WDM) predice un número más próximo al número de galaxias satélite observadas en nuestra galaxia y en las galaxias del grupo local. Sin embargo, muchos expertos aún prefieren el modelo CDM opinan que la falta de galaxias satélite es debida a que no las podemos observar porque son demasiado débiles. Pero creo que hay que recordar que le modelo WDM fue abandonado por que los neutrinos no explicaban la materia oscura (se formaban burbujas no observadas en el universo), pero los neutrinos estériles no tienen dichos inconvenientes.

El año que viene será clave para los proponentes del modelo de materia oscura “caliente,” aunque quizás la Naturaleza nos de una sorpresa y la materia oscura sea cierta combinación CDM + WDM. Nunca se puede descartar nada.

El mejor motivo para trabajar en teoría de cuerdas

Yuri Milner, doctor en física y multimillonario, quiere pasar a la historia como en su momento hizo Alfred Nobel, gracias a un premio: “Fundamental Physics Prize.” El premio está dirigido a físicos teóricos y está dotado de 3 millones de dólares (sí, has leído bien, casi tres veces más que el Premio Nobel de Física); este año se han concedido 9 premios (sí, has leído bien, Milner ha regalado 27 millones de dólares a físicos teóricos). Cinco para famosos teóricos de cuerdas: Edward Witten, Nima Arkani-Hamed, Juan Maldacena, Nathan Seiberg y Ashoke Sen. Dos para famosos cosmólogos inflacionarios: Alan Guth y Andrei Linde. Un físico especialista en computación cuántica, Alexei Kitaev, y otro en física matemática, Maxim Konstevich. Ninguno de estos famosos 9 físicos teóricos necesita presentación y todos ellos ya deberían tener en su cuenta bancaria un ingreso de 3 millones de dólares. Los 9 han sido elegidos por Milner, que para eso paga. El próximo año los 9 premiados de este año serán los que elegirán a los nuevos galardonados. Si eres un físico teórico joven, ya sabes, a partir de ahora tienes un nuevo motivo para trabajar en teoría de cuerdas (pero, recuerda, le tienes que caer bien a Ed, Nima, Juan, Nathan y Ashoke, pues en sus manos está tu premio).

Obviamente, se ha hecho eco de esta noticia todo el mundo. Te recomiendo consultar Geoff Brumfiel, “Theoretical physicists win massive awards Billionaire’s prize to deep thinkers dwarfs others,” Nature News, 31 July 2012 [premiados]; Ian Sample, “Biggest science prize takes web tycoon from social networks to string theory. Yuri Milner awards make nine fundamental physics pioneers rich. But founder denies new prizes are Nobels 2.0,” The Guardian, 31 July 2012; y la voz crítica de Peter Woit, “Fundamental Physics Prize,” Not Even Wrong, July 31, 2012.

Por cierto, pronto habrá una página web donde tú mismo podrás nominar(te) (aunque los ganadores de este año tendrán la última palabra).

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.

Un puente de materia oscura entre dos supercúmulos galácticos que confirma la idea de la web cósmica

Observar la materia oscura a escala cósmica donde no hay materia ordinaria es casi imposible y siempre necesitamos que haya materia ordinaria cerca para ver sus efectos sobre ella, por eso siempre se suele ver ambos tipos de materia ligadas entre sí. Se publica en Nature la observación de un puente (un filamento) enorme de materia oscura que une dos supercúmulos galácticos, Abell 222 y Abell 223. La teoría predice que este tipo de filamentos deben ser muy habituales, sin embargo, esta es la primera vez que se observa uno (repito, porque observarlos es muy difícil). La nueva técnica desarrollada para alcanzar este logro (basada en lentes gravitatorias débiles) se espera que permitirá observar muchos otros ejemplos en los próximos años. La materia en el universo (el 80% de la cual es materia oscura) se distribuye como el jabón en la espuma del baño, en las capas externas de grandes vacíos (las burbujas de la espuma). Se denomina “telaraña cósmica” (cosmic web) a esta idea de la que se tienen pruebas indirectas. El nuevo trabajo de Jörg Dietrich, cosmólogo de la Universidad de Munich en Alemania, y sus colegas es un apoyo muy firme a esta idea. Nos lo ha contado Zeeya Merali, “Dark matter’s tendrils revealed. Direct measurement of a dark-matter ‘filament’ confirms its existence in a galaxy supercluster,” Nature, 04 July 2012, haciéndose eco del artículo técnico de Jörg P. Dietrich, Norbert Werner, Douglas Clowe, Alexis Finoguenov, Tom Kitching, Lance Miller, Aurora Simionescu, “A filament of dark matter between two clusters of galaxies,” Nature, Published online 04 July 2012 [arXiv:1207.0809].

Para los que gusten de datos más técnicos. Los supercúmulos galácticos Abell 222 y Abell 223 presentan un corrimiento al rojo de z  ≈  0,21 y están separados en el cielo por unos 14′ (minutos de arco). El puente de materia oscura ha sido confirmado con una confianza estadística de 4,1 σ (sigmas) gracias a las observaciones del telescopio Subaru de 8,2 metros en Mauna Kea, Hawai. La masa de Abell 222 y Abell 223 se estima en unos 2,7 ± 0,8 × 10¹⁴ y 3,4 ± 1,2 × 10¹⁴ masas solares, resp., mientras que el filamento tiene una masa de 6,5 ± 0,1 × 10¹³ masas solares (aunque el mejor ajuste se obtiene para 9,8 ± 4,4 × 10¹³ masas solares). Las medidas de la cantidad de gas de materia ordinaria que puede haber en el filamento indican que no supera las 5,8 × 10¹² masas solares. Futuros estudios permitirán conocer mejor las propiedades de este filamento de materia oscura.

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.