Varias noticias recientes sobre física de partículas que tienes que conocer

Posible observación de un hadrón exótico. BESIII, el colisionador electrón-positrón de Pekín, China, ha observado una resonancia hadrónica con una masa de (3899,0 ± 3,6 ± 4,9) MeV/c² y una anchura de (46 ± 10 ± 20) MeV, en 525 /pb de datos de colisiones que muestran desintegraciones de tipo e⁺ e⁻ → π^± Zc(3900)^∓ → π⁺ π⁻ J/ψ, con una energía en el centro de masas de 4,26 GeV. BESIII ha sido ajustado para producir la resonancia Y(4260), un hadrón exótico que fue “descubierto” por BaBar en 2005, pero cuya interpretación como hadrón exótico aún no está aceptada por toda la comunidad; recuerda que a los hadrones exóticos se les llama con las letras X/Y/Z. La gran ventaja de BESIII en estos estudios es que puede ajustar la energía en el centro de masas para la producción de una resonancia concreta. La nueva resonancia Zc(3900) aparece en la desintegración de Y(4260). Para los físicos ha sido toda una sorpresa que tenga carga eléctrica. ¿Qué puede ser la nueva resonancia? Podría ser un estado tipo charmonium híbrido, un tetraquark (ccud), una molécula de dos mesones, o incluso algo más exótico, pero por ahora no se puede descartar que se trate de un artefacto de la QCD. Por cierto, BaBar (2007) y Belle (2008) ya observaron una señal de un posible hadrón exótico con una masa similar al que llamaron G(3900). La señal observada por BESIII es muy fuerte, según los autores supera los 8 sigmas. Por supuesto, la interpretación como hadrón exótico dará bastante que hablar en los próximos meses. El artículo técnico es BESIII Collaboration, “Observation of a charged charmoniumlike structure in e+e- to pi+pi-J/psi at \sqrt{s}=4.26 GeV,” arXiv:1303.5949, 24 Mar 2013. Más información sobre la noticia en “Observation of a charged charmoniumlike structure at BESIII,” BESIII News, 26 Mar 2013.

OPERA ha observado su tercer neutrino tau. La colaboración OPERA (unos 140 físicos de 11 países), situada en el Laboratorio de Gran Sasso del INFN (Italia), famosa por un cable mal conectado, ha observado su tercer neutrino tau. El experimento CNGS (CERN to Gran Sasso) envía chorros de neutrinos muónicos hacia varios experimentos en Gran Sasso y OPERA está especializado en medir los neutrinos tau, es decir, la aparición de un neutrino tau por oscilación de un neutrino muónico durante el viaje de 730 km entre el CERN y Gran Sasso. Ya no toma más datos (CNGS ya no funciona), pero se están analizando los datos ya recabados desde 2009 (en colaboraciones como OPERA el análisis de datos es el cuello de botella y no se finalizará hasta mediados 2014). En 2010 y 2012 se obervaron los dos neutrinos tau anteriores y se espera observar otros dos más (unos cinco tras el análisis de todos los datos). El anuncio oficial de la noticia en “OPERA observed a third neutrino tau,” INFN News, 26 Mar 2013; también recomiendo leer a Kathryn Jepsen, “OPERA snags third tau neutrino,” Symmetry Breaking, Mar 26, 2013. También puedes leer “Rare find backs shape-shifting neutrino,” PhysOrg.com, Mar 27, 2013.

La cámara de energía oscura DECam (Dark Energy Camera) es una cámara CCD de 570 megapíxeles (la mayor cámara digital del mundo) que cubre un área de 3 grados cuadrados de cielo (la Luna llena ocupa medio grado cuadrado de cielo). Fue instalada en noviembre pasado en el telescopio Blanco de 4 metros en el Observatorio Inter-Americano de Cerro Tololo, Chile. Forma parte de DES (Dark Energy Survey), un proyecto que se iniciará de forma oficial en septiembre de 2013 cuyo objetivo es obtener en 525 noches de observación (distribuidas en cinco años) un mapa de la distribución de la energía oscura en el universo. DES estudiará unos 200 millones de galaxias y medirá la curva de luminosidad de unas 4000 supernovas de tipo Ia (de ahí que se diga que es un telescopio de energía oscura). DES también estudiará cúmulos galáctivos, las oscilaciones acústicas de bariones (BAO) y los efectos de lentes gravitatorias débiles. Mientras no funciona para el proyecto DES, la cámara DECam es usada para otro tipo de observaciones (búsqueda de asteroides, estudios de galaxias, etc.), como nos cuenta Andre Salles, “Astronomers give Dark Energy Camera rave reviews,” Symmetry, March 27, 2013.

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.

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.

Gravedad unimodular, constante cosmológica y energía oscura

¿Gravita el vacío? El efecto de la energía potencial del vacío equivale a una constante cosmológica con un valor 120 órdenes de magnitud mayor que el valor medido en los experimentos (si interpretamos la energía oscura como constante cosmológica), en concreto, un valor proporcional al cuadrado de la masa de Planck. ¿Se puede modificar la teoría de la gravedad de Einstein para que el vacío no gravite? La opción más sencilla es la gravedad unimodular, introducida en 1919 por el propio Albert Einstein, una simplificación de las ecuaciones de la gravedad obtenida fijando el determinante de la métrica a la unidad. Gracias a este pequeño detalle técnico solo gravita la parte de traza nula del tensor de energía-momento, es decir, la energía potencial no gravita, solo gravita la energía cinética.

En la gravedad unimodular el vacío no gravita y el valor “natural” de la constante cosmológica Λ es cero. ¿Cómo resolvemos entonces el problema de la energía oscura? Muy fácil, en las ecuaciones de la teoría aparece una constante de integración λ que hace el papel de constante cosmológica, pero cuyo valor se fija en las condiciones iniciales del universo (al inicio del big bang). La gravedad unimodular es una manera elegante de meter bajo la alfombra todos los problemas asociados a la constante cosmológica. Pero no todo son ventajas; aún no sabemos si la gravedad unimodular es compatible con todos los experimentos y tests que ha superado la gravedad de Einstein; de hecho, para muchos de ellos, las predicciones de la gravedad unimodular aún no han sido calculadas.

Todo esto viene a cuento por el reciente artículo técnico enviado a ArXiv el jueves pasado por Mario Herrero-Valea (@Fooly_Cooly) y su director de tesis Enrique Álvarez, ambos del Instituto de Física Teórica UAM/CSIC, Madrid. En dicho artículo demuestran que la teoría de Einstein y la unimodular coinciden en el límite de gravedad débil para fuentes arbitrarias (con anterioridad solo se había demostrado para fuentes estáticas), es decir, que esta última supera todos los tests de la primera en el régimen de campo débil. Un gran paso adelante, aunque todavía quedan muchos detalles por estudiar, como la evolución de los modelos cosmológicos en dicha teoría, o su cuantización (hay ciertos indicios de que podría ser más sencilla que en el caso de la teoría de Einstein). El artículo técnico es Enrique Álvarez, Mario Herrero-Valea, “Unimodular gravity with external sources,” arXiv:1209.6223, Subm. 27 Sep 2012.

Recomiendo consultar también a Enrique Alvarez, “The weight of matter,” arXiv:1204.6162, Subm. 27 Apr 2012. En cuanto al problema de la cuantización de la teoría, recomiendo a Lee Smolin, “Quantization of unimodular gravity and the cosmological constant problems,” Phys. Rev. D 80: 084003, 2009 [arXiv:0904.4841].

Por cierto, prometí escribir esta breve entrada en Amazings Bilbao 2012 (Naukas Bilbao 2012) con objeto de incentivar al propio Mario a escribir una entrada al respecto en su propio blog. Mario, ahora el guante está en tu mano de Stringers.

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

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

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

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

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

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

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

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

Publicado en Nature: Ratificada la existencia de la energía oscura gracias al test de Alcock-Paczynski

La expansión cósmica del universo se está acelerando; la causa es una fuerza “desconocida” llamada energía oscura. Descubierta gracias al uso de supernovas Ia como candelas para medir distancias cósmicas y verificada gracias al análisis de la radiación de fondo cósmico de microondas por el satélite WMAP, se ha ratificado gracias al test de Alcock-Paczynski (1979), un método geométrico que permite determinar la abundancia de la energía oscura y su ecuación de estado. Esta técnica estudia las distorsiones geométricas entre el movimiento observado en cuerpos lejanos y el movimiento estimado a partir del corrimiento Doppler de la luz observada. Marinoni y Buzzi han ratificado la existencia de la energía oscura gracias al estudio de 509 sistemas binarios galácticos y han determinado sus parámetros con un 68’3% de confianza estadística, en concreto, la ecuación de estado cumple que -0’85 < w < -1’12 (según WMAP-7 es w = -1’1 ± 0’14, al 68% C.L.) y la cantidad de materia oscura que es 0’60 < Ω_Λ < 0’80 (según WMAP-7 es Ω_Λ= 0’725 ± 0’016, al 68% C.L.). Un nuevo resultado tan preciso como los obtenidos gracias a las supernovas Ia. Un gran resultado técnico publicado en Christian Marinoni, Adeline Buzzi, “A geometric measure of dark energy with pairs of galaxies,” Nature 468: 539–541, 25 November 2010, que nos desglosa Eugenie Samuel Reich, “Dark energy on firmer footing. Geometric test supports the existence of a key thread in the fabric of the Universe,” News, Nature, Published online 24 November 2010.

Un sistema galáctico binario, formado por dos galaxias A y B en rotación mutua, con un corrimiento al rojo medio de z y una separación angular de θ, está orientado respecto a un observador terrestre con cierto ángulo. Estudiando muchos sistemas binarios se puede construir el histograma de las posibles orientaciones. Uno espera que esta distribución sea completamente al azar, una distribución con simetría esférica en la que todas las orientaciones son igualmente probables. Pero en un universo dominado por la energía oscura se observará una cierta asimetría en las orientaciones posibles, que tendrá una orientación preferente en la dirección del observador (ver la figura de abajo). Dicha asimetría es la que han determinado Marinoni y Buzzi para galaxias muy distantes, a miles de millones de años luz de distancia, gracias al proyecto DEEP2. Futuros estudios aplicando la misma técnica a los datos obtenidos con el futuro Telescopio Espacial Euclídes de la ESA podrán mejorar la precisión de este tipo de medidas hasta el punto de superar la precisión obtenida con supernovas Ia, según Marinoni.

La deconstrucción dimensional del universo a alta energía y su estudio experimental en CMS del LHC en el CERN

La imaginación de los físicos teóricos no tiene límite. No cejan de proponer nuevas ideas cada día más exóticas para búsquedas de nueva física en el LHC . Parece que no comprenden que el LHC del CERN tiene muchas tareas pendientes (el bosón de Higgs, la supersimetría, nuevas generaciones de partículas, dimensiones extra, etc.). Greg Landsberg (Universidad de Brown, EEUU) ha propuesto una nueva teoría que afirma que el número de dimensiones en el universo aumenta a medida que se expande desde la gran explosión. Él y sus colegas proponen que el universo comenzó con solo una dimensión espacial y una dimensión temporal (universo 1+1). “El universo nació como un hilo unidimensional que tejió un tapiz en dos dimensiones a medida que crecía; este tapiz se enrolló sobre sí mismo para crear un universo de tres dimensiones como el que conocemos; ahora mismo se está enrollando en cuatro dimensiones por lo que se observa una aceleración de la expansión cósmica del universo; la energía oscura es el eco de la cuarta dimensión del espacio.” La idea, que parece muy exótica para ser correcta, resuelve de un plumazo varios problemas del modelo estándar. Lo curioso es que el portavoz de la colaboración CMS del LHC en el CERN, Albert de Roeck, ha dicho que CMS ya tiene un equipo de físicos estudiando como confirmar o refutar las teorías de Landsberg. “El modelo de Landsberg es muy especulativo, pero nadie puede descartarlo a priori y hay ciertos datos sobre rayos cósmicos que explica mejor que las teorías actuales; vamos a dedicar tiempo de análisis en el LHC a confirmarlo o refutarlo.” Curioso. Nos lo han contado en Zeeya Merali, “Collider gets yet more exotic ‘to-do’ list. The Large Hadron Collider could throw up evidence of new physics earlier than expected,” News, Nature 466: 426, Published online 20 July 2010 [también en Scientific American]. Traducción de Kanijo, “El colisionador logra una lista de cosas por hacer aún más exótica,” Ciencia Kanija, 21 julio 2010 [ya meneada].

El modelo estándar de las partículas elementales permite comprender el universo desde una dimensión de 10^-18 a 10²⁴ metros (el primer valor corresponde a una energía de 1 TeV y el segundo a la escala asociada a la isotropía cósmica del universo). El modelo estándar es una teoría incompleta, contiene en su interior a su asesino ya que presenta divergencias a distancias muy cortas o energías muy altas que no se pueden evitar. Un truco matemático para resolver estas divergencias es una regularización dimensional (la técnica matemática que se utilizó para demostrar que la teoría electrodébil con ruptura de la simetría mediada por el mecanismo de Higgs es una teoría renomarlizable). Si el espacio tiempo tuviera 2 dimensiones espaciales estos divergencias se aliviarían y, más aún, si tuviera solo una dimensión espacial se resolverían fácilmente. El modelo estándar sería válido a todas las distancias y a todas las energías posibles y podría incorporar la gravedad sin ninguna dificultad (la gravedad cuántica funciona muy bien en 1+1 dimensiones, de forma razonable en 2+1 y es casi imposible en 3+1). Pura matemática dirás. Quizás sí o quizás no. Landsberg y sus colegas proponen que el universo surgió tras la gran explosión como un espaciotiempo 1+1 con el modelo estándar  como teoría correcta a todas las energías, incorporando la versión cuántica trivial de la gravedad de Einstein (en un espaciotiempo de 1+1 dimensiones tanto el modelo estándar como la gravedad funcionan de maravilla como teorías cuánticas de la realidad). Conforme el espaciotiempo se expandió (expansión cósmica) fueron surgiendo de forma dinámica nuevas dimensiones espaciales. Actualmente la así llamada “energía oscura” que explica la aceleración actual de la expansión cósmica es un resultado de la emergencia de un espaciotiempo 4+1 dimensional a partir de nuestro espaciotiempo 3+1 dimensional. Los interesados en más detalles técnicos (breves pero curiosos) pueden recurrir al artículo técnico de Luis Anchordoqui, De Chang Dai, Malcolm Fairbairn, Greg Landsberg, Dejan Stojkovic, “Vanishing Dimensions and Planar Events at the LHC,” ArXiv, Submitted on 30 Mar 2010, que proponen que la dimensión del espacio depende de la escala considerada (a distancias más cortas la dimensión es más baja).

Este tipo de ideas tan radicales suelen pasar por los medios sin mucha atención. Salvo excepciones y esta parece que lo es. Lo más curioso es que Landsberg y sus colegas creen que el LHC será capaz de observar efectos asociados a su modelo del universo, ya que a alta energía se recrean condiciones similares a los primeros instantes de la gran explosión, es decir, se deconstruyen las dimensiones espaciales. Él y sus colegas creen que el LHC será capaz de observar colisiones de partículas en un espaciotiempo de dos dimensiones espaciales lo que verificaría su teoría. Más aún, creen que ciertos resultados “peculiares” observados en los rayos cósmicos tienen una explicación en su teoría. Habrá que estar al tanto de estas ideas en un futuro cercano.

PS (24 julio 2010): Greg Landsberg, “Vanishing Dimensions and Planar Events at the LHC,” ICHEP 2010, París, 24 July 2010.

Eugenio Bianchi y Carlo Rovelli: ¿Es la energía oscura realmente un misterio?

El Universo está en expansión y la expansión parece estar acelerándose. Esta aceleración se explica a menudo usando una substancia misteriosa, la “energía oscura.” Para Eugenio Bianchi y Carlo Rovelli no hay ningún misterio en esta aceleración cósmica. La constante cosmológica de Einstein la explica perfectamente. La aceleración cósmica es predicha por la teoría de la relatividad general cuando se toma una constante cosmológica no nula, Λ. El modelo cosmológico estándar, con materia oscura y constante cosmológica, denotado por las siglas (ΛCDM), es “aceptado por casi todos los cosmólogos como la mejor descripción actual de los datos disponibles.” Hay una confusión histórica y conceptual profunda entre quienes creen que el término Λ requiere una explicación a base de una misteriosa “energía oscura.” Bianchi y Rovelli nos ofrecen una respuesta a las tres objeciones (prejuicios) más habituales hacia la constante cosmológica (Λ). Rocky Kolb les contesta con la respuesta oficial. Todo ello en Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli, Rocky Kolb, “Cosmology forum: Is dark energy really a mystery?,” Nature 466: 321–322, 15 July 2010. Los interesados en una exposición más detalla de sus argumentos pueden recurrir a ”Why all these prejudices against a constant?,” ArXiv, 21 Feb 2010. Algunos artículos recientes les dan la razón, como Roland Triay, “Dark Energy: fiction or reality?,” ArXiv, 1 Apr 2010. Aunque tienen en contra al resto de la comunidad científica.

La primera objeción se conoce como “Λ es el error de Einstein.” Se afirma que Λ fue rechazada por los relativistas en general, y de hecho por el propio Einstein, que la calificó como más tarde como su “mayor error.” Pero muchos olvidan que la “metedura de pata” de Einstein no fue Λ, sino constatar que, con o sin Λ, el Universo no es estático. La teoría de la relatividad general predice la expansión cósmica y el error de Einstein fue no darse cuenta. La constante cosmológica Λ no es un añadido a la teoría de Einstein para dar cuenta de las observaciones, sino una parte integrante y natural de la misma. Su naturaleza y su escala (valor) no son ni más ni menos misteriosas que los de cualquiera de las constantes que aparecen en nuestras teorías físicas fundamentales.

La segunda objeción se denomina el ”problema de la coincidencia cósmica.” Los datos cosmológicos indican que nos ha tocado vivir en un “corta” fase de la historia del universo, durante la cual las contribuciones a la dinámica cósmica de la materia y de Λ  son comparables en magnitud. Esta “coincidencia improbable” se presenta como un argumento en contra de la hipótesis Λ en el modelo ΛCDM. Ahora bien, si miramos la evolución del universo en función del tiempo cósmico en una escala lineal, en lugar de la habitual escala logarítmica, se puede ver que esta “corta” fase dura la mitad de la vida del Universo hasta el momento actual y por tanto no hay ninguna “improbable” coincidencia. En cualquier caso, no debemos asumir que vivimos en un lugar del Universo y en un momento completamente aleatorios. La densidad a nuestro alrededor, por ejemplo, está muy lejos de la densidad cósmica promedio.

La tercera y última ojeción se refiere a la “energía del vacío.” La teoría cuántica de campos (QFT ) predice una energía del vacío que se suma a la fuerza cósmica debida a Λ (similar al efecto del vacío sobre las líneas espectrales de los elementos atómicos, las llamadas correcciones radiactivas). Esta contribución a la hipotética Λ es mucho mayor que la Λ observada. Esta discrepancia es un rompecabezas abierto en la QFT en presencia de gravedad. Pero es un error conceptual confundir Λ con la energía del vacío de la QFT . La constante cosmológica Λ no se puede confundir con nuestra incomprensión de la energía del vacío en QFT o con cualquier otra substancia misteriosa . La constante Λ es una especie de “curvatura del punto cero,” una fuerza de repulsión causada por la dinámica intrínseca del espaciotiempo. Buscarle cinco patas al gato no nos lleva a entender por qué el gato tiene cuatro patas.

Bianchi y Rovelli opinan que el modelo ΛCDM debe continuar siendo explorado mediante los experimentos y se deben seguir ofreciendo ideas alternativas que lo complementen, pero en su opinión, y en la de muchos físicos relativistas, es algo engañoso afirmar que la energía oscura es un “gran misterio.” Es un grave error hablar de una “substancia” al referirse a la “energía oscura,” es como afirmar que si nos apetece salir a la calle para dar una vuelta es porque una “misteriosa fuerza oscura” nos empuja a hacerlo.

Como no hay dos sin tres, ni dos sin un tercero en discordia, también tenemos que exponer la opinión de Rocky Kolb, para quien la energía oscura sí es un gran misterio aún por resolver.

El modelo ΛCDM es el modelo cosmológico más completo, más exitoso y con mayor poder predictivo que jamás ha sido diseñado. Un modelo capaz de dar cuenta de un enorme número de observaciones astronómicas y cosmológicas. En la actualidad, no existen observaciones discrepantes con el modelo ΛCDM. Pero su éxito tiene un precio. Solo el 5% de la masa-energía total del Universo observable es comprendida por dicho modelo. El 95% del Universo es “oscuro,” en el sentido de que no lo entendemos completamente. El lado oscuro incluye el 25% de la masa-energía total, en forma de la llamada materia oscura que conforme la estructura de las galaxias y de los cúmulos galácticos, y el 70% en forma de energía oscura, responsable de la aceleración de la expansión cósmica.

Los cosmólogos se refieren generalmente a la materia oscura y a la energía oscura como misterios cósmicos. No estoy de acuerdo con Bianchi y Rovelli quienes argumentan que la energía oscura puede ser explicada invocando una nueva constante de la naturaleza, la constante cosmológica. Afirman que se trata de una explicación simple y aceptable. No estoy de acuerdo. En mi opinión, una constante cosmológica es un misterio en el sentido de que es “algo cuyo origen no se entiende o está más allá de la comprensión actual.” La constante cosmológica de Einstein Λ es la explicación más simple para la energía oscura: se ajusta a los datos adecuadamente  y no hay razón para excluir su presencia, sin embargo, su valor para explicar las observaciones está ”más allá de [nuestro ] entendimiento.” Si la constante cosmológica es la explicación para la energía oscura, Λ deberán tener un valor de (10²⁸ cm)^-2, pero la longitud 10²⁸ cm es absurdamente grande y por el momento no está relacionada de ningún modo conocido con ninguna escala de longitud observable en la naturaleza. Todos los intentos de explicar esta nueva escala de longitud han sido infructuosos en muchos órdenes de magnitud.

No podemos conformarnos con añadir una constante al modelo que permita reproducir las observaciones, debemos encontrar una explicación para dicha constante y para su valor. Todas las constantes de los modelos cosmológicos deben estar basadas en las leyes de la naturaleza que comprendemos. Ahora mismo, la magnitud de la constante cosmológica no se puede explicar por ninguna teoría física conocida. Por ello es un misterio aún por resolver: “el misterio de la energía oscura.”

Kolb acaba recordando la frase del astrofísico Tommy Gold: ”no es un error pensar que para cada fenómeno físico complejo hay una explicación simple.” Sería un error quedarnos satisfechos con la constante cosmológica sólo porque es una explicación sencilla a la aceleración de la expansión cósmica.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

La energía oscura puede ser explicada por un gravitón con masa

Físicos teóricos brasileños han mostrado que la energía oscura se puede explicar si el gravitón, la partícula de la gravedad, tiene una masa en reposo no nula (aunque pequeñísima). La energía oscura domina el 73% del universo y nadie sabe lo que es. Una constante cosmológica no nula la puede explicar pero nadie sabe qué es, es decir, sustituye un problema por otro. Un gravitón masivo permite explicar la energía oscura. Más aún, sin violar los límites experimentales para su masa, de hecho, utilizando cúmulos galácticos se tiene que m_g < 2.0 x 10^-62 gramos, un límite mil veces superior al valor necesario para que la masa del gravitón explique la energía oscura. ¿Cómo incorporar la masa del gravitón a la teoría de Einstein? La opción más sencilla es la teoría de Visser, en la que se añade el término masivo directamente a las ecuaciones de Einstein. El estudio de la polarización de ondas gravitatorias, cuando estas sean detectadas experimentalmente, permitirá determinar si el gravitón tiene masa nula (solo tiene dos estados de polarización como el fotón) o es masivo (tiene 6 estados de polarización). El artículo técnico es Marcio E. S. Alves, Oswaldo D. Miranda, Jose C. N. de Araujo, “Can Massive Gravitons be an Alternative to Dark Energy?,” ArXiv, Submitted on 29 Jul 2009.

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

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

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

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

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

Espectaculares simulaciones de la explosión de una supernova tipo Ia

Simulación 3D de la explosión de una estrella enana blanca en una supernova tipo Ia (las que han demostrado la aceleración de la expansión del universo). La simulación utiliza una resolución de 6 km y presenta la densidad y la variable de progreso de la reacción. La burbuja inicial tiene un radio de 18 km. El artículo técnico es “Three-Dimensional Simulations of the Deflagration Phase of the Gravitationally Confined Detonation Model of Type Ia Supernovae” Jordan et al., 2007 [ ArXiv preprint ]. Simulación 3D que presenta la densidad y temperatura.

Las supernovas tipo Ia son una de las estrellas recientes de la astrofísica, dada su importancia como “candelas estándares” en cosmología. Su observación ha permitido demostrar que la expansión del universo se está acelerando así como la presencia de “energía oscura”. ¿Cómo explota una enana blanca para convertirse en supernova Ia? La mayoría de los teóricos creen que una detonación es necesaria. Las simulaciones ilustran este proceso. Las 7 simulaciones presentadas en el artículo se enmarcan en la teoría llamada detonación confinada gravitatoriamente (gravitationally confined detonation, GCD) y tratan de demostrar que la detonación es una fase necesaria en dicha teoría.

En las simulaciones se parte de una enana blanca de 1.38 masas solares, con una composición uniforme de carbono y oxígeno, a partes iguales. Se supone que la enana blanca recibe materia (acreción) de una estrella compañera (normalmente una gigante roja) hasta alcanzar una masa crítica (límite de Chandrasekhar) momento en el que la enana blanca, básicamente una estrella sostenida por la presión generada por el principio exclusión de Pauli aplicado a los electrones libres del carbono y oxígeno, no puede superar la presión gravitatoria, con lo que colapsa, incrementando su temperatura y generando la ignición de su carbono en el núcleo de la estrella. Esta ignición genera un chorro (ilustrado en las animaciones) que parte de su centro y se extende rápidamente hasta las capas más externas.

Los vídeos muestran como la burbuja se vuelve inestable (debido a turbulencias generadas por una inestabilidad de Rayleigh-Taylor) generando una estructura con forma de hongo (como una explosión nuclear) antes del primer segundo. Cuando el hongo alcanza la superficie de la estrella, se rompe y se propaga por la superficie hasta alcanzar el extremo opuesto de la esfera de la estrella, momento en que se produce la detonación que acaba conduciendo a la explosión de la supernova (solamente 1.7 segundos desde el inicio del proceso). Las animaciones muestran muy bien cómo se produce la transición entre una deflagración subsónica hasta una detonación supersónica.

Durante la detonación se quema, en cuestión de segundos, una cantidad de carbono que a una estrella normal le llevaría cientos de años. Esta increíble energía libera una colosal onda de choque que destruye la estrella expulsando toda su masa a velocidades de alrededor de 10.000 km/s. La energía liberada en la explosión también causa un aumento extremo en su luminosidad siendo este tipo de supernovas (el tipo más luminoso de todos). Normalmente no queda ni rastro de la estrella que originó el cataclismo, sólo restos de gas y polvo sobrecalentados en rápida expansión.

Las supernovas de tipo Ia poseen una curva de luz característica. El parecido en las formas y en la magnitud de las curvas de luz de todas las supernovas de tipo Ia observadas hasta la fecha, ha hecho que sean utilizadas como medida estándar de luminosidad en la astronomía extragaláctica, lo que en términos astrofísicos se llama una candela estándar (se pueden calibrar con una décima de magnitud). Gracias a su alta luminosidad pueden ser detectadas en galaxias muy lejanas (con alto corrimiento al rojo). De ahí su importancia cosmológica. Las nuevas simulaciones permiten entender mejor cómo explotan este tipo de supernovas.

Energía oscura y constante cosmológica

Me ha gustado el artículo de T. Padmanabhan, “DARK ENERGY AND ITS IMPLICATIONS FOR GRAVITY,” ArXiv preprint, 16 July 2008 . El artículo propone que los problemas de qué es la energía oscura en el universo y el problema de la constante cosmológica son completamente independientes entre sí. La idea me gusta. Permítaseme parafresear su introducción.

El universo más simple que podemos imaginar contiene solamente materia visible (bariones) y radiación (energía). En el modelo matemático más sencillo del universo en expansión desde el big bang hay una densidad crítica (ρc) por encima de la cual el universo es abierto y se expande eternamente y por debajo de la cual es cerrado y acabará contrayéndose en un big crunch. La densidad de la materia bariónica (ρb) y de la radiación (ρr) se normalizan respecto a la densidad crítica dando lugar al parámetro adimensional Omega, sea Ob (=ρb/ρc) u Or (=ρr/ρc) para la materia bariónica y para la radiación, respectivamente, siendo O el valor total para el universo. Si O>1 es abierto, si O<1 es cerrado, y si O=1 es el universo es plano. Hasta principios de los 1980s se pensaba que el valor correcto del parámetro O (densidad de “contenido” del universo) era menor de la unidad, aunque algunos autores “gustaban” de un valor O=1.

Sin embargo, las observaciones astronómicas desde mediados de los 1970s indican que la mayoría de la materia en el universo no es bariónica, no es visible, es materia oscura. Es decir, la densidad de materia Om en el universo es fundamentalmente materia oscura Oo en lugar de materia visible Ob. Más aún, a principios de los 1980s se desarrolló el modelo inflacionario, el universo en sus primeros instantes sufre una expansión exponencial, que tiene como consecuencia la preferencia por un valor O=1 (valor crítico). Durante los 1980s, los cosmólogos teóricos preferían un modelo con O=Oo=1, aunque los datos astronómicos de los cosmólogos observacionales sugerían que Om=Oo=0.2-0.3. Sólo a finales de los 1980s y principios de los 1990s algunos teóricos sugirieron que podría existir alguna forma o componente de densidad de energía “oscura” Oe que reconciliará el resultado inflacionario O=1 con los datos experimentales Om=0.2-0.3. Los primeros análisis indicaban que este tipo de “energía” estaba distribuida uniformemente por todo el universo y que tenía una presión negativa (responde de forma antigravitatoria).

Este era el estado de las cosas hasta finales de 1990s, cuando las observaciones de supernovas Ia como candelas para medir distancias grandes mostró que la expansión del universo actualmente se está acelerando, lo que se puede explicar con una componente de energía oscura Oe=0.60-0.75. Cuando se trata esta energía como un fluido, su presión es negativa (si su densidad de energía es positiva). La elección más sencilla para explicar esta energía oscura es la existencia de una constante cosmológica en las ecuaciones de Einstein de la gravedad. Este término en dichas ecuaciones actúa como un fluido con presión negativa, compatible con las observaciones.

El resultado es un universo con una composición, cuando menos, extraña. La densidad de radiación (energía “visible”) es ridícula, Or=0.00005, la densidad bariónica (materia “visible”) es muy pequeña, Om=0.04, la densidad no bariónica (materia “oscura”) tiene Oo=0.26 y la energía oscura tiene Oe=0.70. Como no sabemos qué es la materia oscura y no tenemos una explicación “buena” para la energía oscura, el 99.6% del universo no es desconocido.

En relatividad general la aceleración de la expansión del universo está controlada por la suma de la densidad más 3 veces la presión, (ρ+3p) y no solamente la densidad ρ. Cuando (ρ+3p)>0, la gravedad total resultante es atractiva y la expansión se desacelera. Por el contrario, cuando (ρ+3p)<0 la gravedad muestra efectos “repulsivos” y la expansión del universo se acelera. En otras palabras, si la energía oscura domina sobre la materia, genera suficiente presión negativa para que el universo acelere su expansión. Ese es el resultado experimental observado por el corrimiento al rojo del espectro de las supernovas.

El nuevo modelo de “cómo parece que son las cosas” es muy bueno a la hora de predecir cosas y concuerda con un gran número de observaciones cosmológica independientes, las mas importantes son las siguientes:(a) Pequeñas fluctuaciones cuánticas en la distribución de energía en los inicios del universo fueron amplificados por una inestabilidad gravitatoria lo que las llevó a formar el núcleo de las futuras grandes estructuras del universo (galaxias, cúmulos, etc.) que existen hoy en día. La amplificación se produjo gracias a un periodo inflacionario de expansión exponencial. Las fluctuaciones cuánticas amplificadas son las fluctuaciones del campo de energía responsable de ésta, llamado campo inflatón, cuya naturaleza exacta actualmente es una incógnita.
(b) Aunque desconocemos el modelo exacto del inflatón, con lo que carece de poder predictivo per se, los posibles modelos tienen parámetros ajustables que permiten que el campo de fluctuaciones cuánticas tenga un espectro gaussiano caracterizado por un espectro de potencia compatible con las observaciones del fondo cósmico de microondas obtenidas por la sonda WMAP. Las observaciones de gran precisión de WMAP confirman este escenario (o mejor, el escenario se puede adaptar fácilmente a las observaciones).
(c) Simulaciones numéricas de la posible evolución de las pequeñas perturbaciones en el campo del inflatón permiten observar universos con características estadísticas para la materia bariónica (la visible) muy similares (estadísticamente, he dicho) a las observadas astronómicamente.
(d) Más aún, la cantidad de deuterio (hidrógeno pesado) estimada en el universo es compatible con una nucleosíntesis primordial en un universo con los parámetros previamente descritos. La nucleosíntesis “prueba” el universo cuando tenía sólo unos pocos minutos, mientras que el fondo cósmico de microondas lo prueba con varios cientos de miles de años. Que ambas observaciones sean compatibles es una prueba muy importante de lo razonable del modelo.

En palabras de Padmanabhan, “aunque no entendemos nuestro universo, hemos tenido mucho éxito en parametrizar nuestra ignorancia en términos de unos números bien elegidos.”

El mayor problema de nuestra comprensión de nuestro universo es el la energía oscura. El modelo más sencillo para la energía oscura considera que no es un fluido de presión negativa (que tendría una ecuación de estado p=w.ρ con w=−0.8 ) sino que es un valor no nulo de la constante cosmológica λ (con ecuación de estado p=−ρ, es decir, w=−1). Sin embargo, esto acarrea un nuevo problema, el problema de la constante cosmológica. Si adimensionalizamos las ecuaciones de Einstein para obtener un escala “natural” para la constante cosmológica, utilizando unidades de Planck, el único valor razonable para la escala de λ es 10^(−123), sí, un valor 123 órdenes de magnitud menor que la unidad. Esto ha llevado a mucha gente a creer que la constante cosmológica es exactamente cero. Pero las observaciones indican que su valor es no nulo. ¿Por qué la constante cosmológica tiene un valor no nulo tan pequeño?

Normalmente el valor nulo de una constante está relacionado con una simetría en las ecuaciones (alguna magnitud que se conserva de forma exacta). Sin embargo, no se conoce tal magnitud asociada a λ=0 (no la hay en las ecuaciones de Einstein). Por ejemplo, que el fotón tenga masa en reposo exactamente cero está relacionada con la simetría o invarianza de fase en el electromagnetismo (electrodinámica cuántica). La supersimetría, aún no descuberta experimentalmente pero que está en los objetivos del próximo LHC del CERN, asegura que λ=0, a alta energía, pero esta simetría está rota a baja energía y no puede explicar dicho valor en un contexto cosmológico.

Finalmente, hay otro problema importante en relación a la constante cosmológica que aparece frecuentemente en la literatura científia, ¿por qué ahora? Por qué en “nuestra” época del universo la contribución de la energía oscura a la densidad del contenido del universo (la enegía oscura) es comparable a la energía del resto de la materia del universo. hat could be called the “why now” problem of the cosmological constant. Según, Padmanabhan una teoría capaz de predecir el valor numérico actual de λ, debe también resolver el problema de por qué ahora su valor es comparable al resto de la densidad de energía. Actualmente tal teoría no existe.

http://www.redbubble.com/people/ctoledo

Actualmente no tenemos ninguna teoría que explique los valores de las densidades de las componentes del universo. Ni ρr cuyo valor lo conocemos por la temperatura del fondo de microondas, para la que no tenemos ninguna teoría que explique por qué vale 2.73 ºK cuando han transcurrido cierto número de miles de millones de años desde que se formaron las galaxias. Ni tampoco tenemos ninguna teoría que explique el cociente de ρr/ρb, ni … En resumen, necesitamos nuevos datos experimentales pero también necesitamos nuevas “mentes”, nuevos “genios” que pongan los puntos sobre las íes en estos acuciantes problemas cosmológicos.

Nueva confirmación de la existencia de la energía oscura en el Universo (o un “hasta luego” para “nuestro” vacío cósmico local)

Sección transversal del Universo, con la Tierra en el centro de un gran vacío (azul). El vacío causaría una distorsión visible en el fondo cósmico de microondas. (c) Physical Review Letters, 2008.

En una entrada anterior ya comentamos que la “segunda” inflación, la expansión acelerada actual del universo, podría ser un artefacto de las medidas de distancias basadas en supernovas tipo Ia (ver entrada). Podría existir un “agujero” vacío a nuestro alrededor que falsearía las medidas. De existir ese agujero el principio cosmológico de la isotropía y homogeneidad del universo a escala cosmológica no sería válido a nuestro alrededor. Para verificar o refutar esta hipótesis la única vía posible es la experimental. En esta línea se acaba de publicar R. R. Caldwell and A. Stebbins, “A Test of the Copernican Principle,” Phys. Rev. Lett. 100, 191302 ( 2008 ), ArXiv preprint.

¿Ocupa la Tierra, o mejor, la Vía Láctea un lugar privilegiado en el Universo? ¿Podrían estar en el centro de un gran vacío de tamaño cosmológico, del orden de 1 gigapársec? [Recuerda la Vía Láctea tiene un diámetro menor de 10 kilopársec]. En su caso, la radiación de fondo de microondas (CMB) se vería alterada de tal forma que creeríamos que nos encontramos en un universo cuya expansión está acelerándose. Pero también dejaría otras marcas ques nos permitirían comprobar si realmente dicho vacío existe. El artículo de Caldwell-Stebbins, basado en los resultados del CMB de la sonda WMAP, excluyen la presencia de tal vacío (con radios hasta 5 gigaparsec), confirmando las ideas sobre el universo en expansión acelerada con un fuerte contenido en energía oscura.

La energía oscura ha vuelto a vencer. De todas formas, habrá que esperar a la sonda Planck para confirmar o refutar definitivamente la presencia de vacíos cósmicos como explicación del fenómeno de la energía oscura.

CONFERENCIA en MÁLAGA (hoy): LA ENERGÍA OSCURA CUMPLE DIEZ AÑOS

10 abril LA ENERGÍA OSCURA CUMPLE DIEZ AÑOS C.A.C. 19:30

Dra. Licia Verde, Profesora ICREA en el ICE, Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC, Barcelona) y Visiting Senior Research Scientist, Princeton University, USA.

XI CICLO DE CONFERENCIAS “PRESENTE Y FUTURO DE LA CIENCIA YLA TECNOLOGÍA”

Centro de Arte Contemporáneo de Málaga (CAC) de MÁLAGA

Láseres de agujeros negros, radiación de Hawking del universo y energía oscura (o a ver cómo le damos un Premio Nobel a Stephen Hawking)

Stephen Hawking con su primera (arriba) y su segunda (abajo) esposas.

Volvemos a la carga… tras la Semana Santa con un comentario sobre Stephen Hawking, genio donde los haya, quien todavía no ha recibido el Nobel, pero a quien mucha gente “parece que quiere” dárselo. El descubrimiento experimental de la radiación de Hawking, si le pilla vivo (tiene 66 años), merecerá dicho galardón, sin lugar a dudas.

Vivir con Stephen no debe ser fácil. Su primera mujer Jane (Hawking) casi se suicida, aunque le sacó buen rendimiento económico a su libro “Travelling to Infinity: My Life with Stephen“. Su hija Lucy (Hawking) es alcohólica. Y su antigua enfermera, Elaine Mason, de la que se divorció en 2006 fue acusada múltiples veces de maltratar a una mente tan prodigiosa. Lo dicho, vivir con Stephen no debe ser fácil. Pero volvamos al grano.

Unos quieren darle el Nobel a Hawking encontrando un análogo óptico del horizonte de sucesos de un agujero negro y observando la radiación de Hawking en una fibra óptica no lineal: Thomas G. Philbin, Chris Kuklewicz, Scott Robertson, Stephen Hill, Friedrich König, Ulf Leonhardt, “Fiber-Optical Analog of the Event Horizon,” Science, Vol. 319. no. 5868, pp. 1367 – 1370, 7 March 2008. La analogía entre un agujero negro para la luz y una catarata en un río para una canoa, muy poco conseguida por cierto, lleva a los autores a afirmar que un horizonte se forma cuando la velocidad local en un medio excede a la velocidad “natural” de las ondas en dicho medio, con lo que proponen la demostración de la existencia de un horizonte de sucesos “artificial” en el frente de onda de pulsos ultracortos que se propagan en fibras ópticas de cristal fotónico, también llamada microestructuradas, “fibras con agujeros” en plan llano. Por supuesto, sólo observan el fenómeno óptico a nivel clásico, en concreto, el corrimiento hacia el azul de la luza en el “horizonte” (frente de onda). El artículo es curioso y proponen esta técnica como posible modelo experimental, para en un futuro, poder detectar la radiación de Hawking, un fenómeno claramente cuántico. Las tecnologías de óptica cuántica están bastante avanzadas, pero a mí “me huele” que tardarán bastante en observar la radiación de Hawking, entre otras cosas porque lo que proponen es un experimento “ya realizado muchas veces” (aunque nadie buscó ver efectos cuánticos) y hasta ahora nadie ha visto efectos cuánticos (quizás porque nadie los ha buscado).

En la figura de arriba se observa cómo se propaga un pulso (amarillo) en una fibra óptica no lineal (A) que recibe radiación infrarroja (flecha roja) que pretende “atravesarlo”. En el diagrama (B), donde se muestra un sistema de referencia que se mueve junto al pulso, podemos observar dos horizontes de sucesos clásicos (los dos puntos negros). El pulso infrarrojo de prueba es ralentizado hasta que su velocidad de grupo alcanza la del pulso no lineal (amarillo). El primer punto (trasero o por la izquierda) corresponde al horizonte de un “agujero blanco” y el segundo punto (delantero o por la derecha) al de un “agujero negro”. La luz infrarroja de prueba es corrida hacia el azul en el “agujero blanco” debido a la dispersión óptica en dicho horizonte. En la figura (C) se muestra el que sería el resultado del experimento cuántico “interesante”, la “teórica” observación de la radiación de Hawking. Cuando no incide pulso infrarrojo, el horizonte de sucesos podría emitir pares de fotones “cuánticos” correspondientes a ondas de frecuencias positivas en la parte exterior del horizonte acopladas a ondas de frecuencia negativa al otro lado del horizonte. Este efecto se vería reforzado por la pendiente creciente de la onda de choque que se produce en el pulso no lineal. La radiación de Hawking, de hecho, incrementaría la propia luminosidad del pulso no lineal. Por supuesto los investigadores sólo han observado el fenómeno clásico (figuras A y B), el corrimiento al azul de la luz de prueba que incide sobre el pulso no lineal. Los resultados de la figura C son solamente teóricos y sujetos a que Hawking “tenga razón”.

Una cosa interesante de este artículo en Science, que ya parece típico en muchos artículos de esta revista, es la enorme diferencia de longitud entre el artículo publicado en la revista (solamente de 3 páginas, 4 según la numeración pero la primera y la última sólo son media página) y la longitud del Material Online Suplementario de, nada más y nada menos, 45 páginas y 61 referencias (el de la revista sólo tiene 21, mal contadas, pues algunas son notas al margen). ¡¡ Increíble !! Si te lees el artículo de la revista, “prácticamente no te enteras de nada”. Necesitas leer el suplemento… cosas de revistas como Science y Nature, que quieren ahorrar páginas y se están aprovechando de la Internet. ¿Pero aparecerán las citas en el suplemento en los análisis de citas de servidores como Scopus o ISI Web of Science? Ya lo veremos. Si no aparecen, están haciendo un flaco favor a los autores de los correspondientes artículos.

Seamos positivos. Si se descubre la radiación de Hawking en fibra óptica tendría gran número de aplicaciones tecnológicas. Las ya bautizadas como “láseres de agujeros negros”, por ejemplo, en U. Leonhardt and T.G. Philbin, “Black Hole Lasers Revisited,” ArXiv preprint, March 5, 2008, ya que la existencia de dos horizontes de sucesos en pulsos no lineales permite un fenómeno de dispersión “superlumínica” (quizás sería mejor decir “supersónica” ya que no violan la relatividad especial de Einstein) que lleva a la amplificación de la producción de partículas en el caso de bosones (como los fotones). Por supuesto, los cálculos analíticos de este efecto son extremadamente difíciles, por lo que sólo hay cierta evidencia numérica, que puede ser discutible actualmente.

Pero sigamos con Hawking. Otros quieren darle el Nobel estudiando la posiblidad de medir la radiación de Hawking a nivel cosmológico (en agujeros negros sería una medida astrofísica), utilizando el Universo en su totalidad. El artículo de Jae-Weon Lee, Hyeong-Chan Kim, Jungjai Lee, “Is dark energy from cosmic Hawking radiation?,” ArXiv preprint, March  13, 2008, sugiere que la energía oscura (el 72% del Universo) en realidad es la radiación de Hawking de un horizonte de sucesos cósmico. Los cálculos teóricos indicad que, aunque la temperatura de este tipo de radiación de Hawking es extremadamente pequeña, es sorprendentemente de la magnitud apropiada para explicar la energía oscura y además cumple una ecuación de estado compatible con los datos cosmológicos observados, gracias a la enorme entropía que está contenida en el área de este horizonte de sucesos cosmológico. Dos grandes problemas resueltos de un “plumazo” ¡¡ increíble !! Eso sí, tanto el horizonte de sucesos cosmológico como la entropía de la radiación deben cumplir un principio holográfico con objeto de que haya coincidiencia con los parámetros cosmológicos observados y la “holografía cósmica” todavía no forma parte de la corriente estándar en física de partículas y cosmología. Aún así, el modelo es simple y explica varios misterios de la energía oscura (que los tiene y muchos, aunque algunos piensen lo mismo que pensaban del “éter” en el s. XIX, que se resolverán “pronto”) de forma consistente.

¿Se observará la radiación de Hawking? ¿Se observará antes de que Hawking muera? No lo sabemos, pero el tiempo dirá.

¿Realmente la expansión del universo se está acelerando? (o nunca hay que descartar otras hipótesis)

La expansión acelerada del universo, aparentemente causada por la misteriosa energía oscura, puede deberse a una mala interpretación de la homogeneidad de la distribución de materia en el Universo, o así se afirma en el artículo de George Ellis, “Cosmology: Patchy solutions,” Nature 452, 158-161, 13 March 2008, que revisa varios artículos recientes sobre este tema. La energía oscura causa problemas más “gordos” que el problema que resuelve, la aparente aceleración de la expansión detectada en los estudios de supernovas tipo Ia utilizadas como candelas para medir las distancias en el universo lejano (a grandes corrimientos Doppler). ¿Puede explicarse esta expansión sin necesidad de nueva física, sea energía oscura, constante cosmológica no nula o la famosa quintaesencia (un tipo de anti-gravedad)? Estudios recientes han encontrado una explicación alternativa mucho más sencilla: la no homogeneidad de la distribución de materia en nuestro entorno cercano dentro del Universo puede ser la responsable de la aparente “segunda” inflación en la nos encontramos.

Las soluciones de las ecuaciones de Einstein para la gravedad a escala de todo el Universo tienen soluciones muy sencillas si se supone que la materia está distribuida de forma homogénea (de la misma forma en todas partes) e isótropa (de la misma forma mirando en todas direcciones). Esta hipótesis es consistente con las observaciones (claro, a gran escala, como en el fondo de microondas cuando quitamos el efecto de la vía láctea y los efectos de la velocidad de la Tierra, muy bien ilustrado aquí) pero no es una consecuencia de las ecuaciones sino el llamado Principio Cosmológico (también llamado de Copérnico): Las características del Universo cercano no son especiales de ninguna forma, sino típicas del resto del Universo en su totalidad.

El Principio Cosmológico es “razonable” pero no ha sido verificado experimentalmente. No es fácil. Este principio es consistente con las medidas de distancia más lejanas (gracias a las supernovas Ia) sólo si alguna forma de energía oscura existe. Sin embargo, investigaciones recientes han mostrado que si obviamos el Principio de Copérnico y consideramos que nuestra distribución de materia local (“cercana” a nosotros) es especial, entonces la energía oscura no es necesaria.

La primera posibilidad es que inhomogeneidades locales en la distribución de materia requieren un proceso de promediado de las ecuaciones de Einstein a escala pequeña que conduce a una fuerza repulsiva (“backreaction” o retroreacción), un término que ha de ser añadido a las ecuaciones “suavizadas” que modelan el Universo a gran escala (véase, p.ej., Syksy Rasanen, “Evaluating backreaction with the peak model of structure formation,” ArXiv preprint, 31 Jan 2008). Sorprendentemente, los resultados de este término repulsivo son similares a los de la energía oscura.

Claro, estas inhomogeneidades locales también afectan a nuestras observaciones cosmológicas de fuentes lejanas, que sufren un proceso de lente gravitatoria (enfoque) que puede cambiar significativamente la luminosidad aparente de fuentes lejanas. Aunque los resultados dependen de la distribución exacta de materia en nuestro entorno local (algo no conocido con detalle) hay varias distribuciones compatibles con los resultados observados para supernovas Ia de gran corrimiento al rojo (gran z).

Investigadores como Teppo Mattsson, “Dark energy as a mirage,” ArXiv preprint, revised version 23 Dec 2007, han encontrado una interpretación “natural” de los efectos observados en la anisotropía del fondo de microondas, la nucelosíntesis de los elementos, el corrimiento hacia el rojo de las supernovas Ia lejanas y la expansión de Hubble, entre otros efectos, que son compatibles con cierto tipo de vacíos de materia cercanos y una distribución de materia en el Universo de un 90% de materia oscura y un 10% de materia (bariónica), nada de energía oscura, y un Universo de unos 14.8 mil millones de años. Es decir, si vivimos en una “burbuja casi vacía” entonces la energía oscura es un espejismo.

La misma idea, que estamos en un región del Universo con una densidad anormalmenet baja, en una burbuja “vacía” y por tanto rodeados del resto del Universo con “más” materia, ya había sido presentada en el artículo de revisión de la francesa Marie-Noëlle Célérier, “The Accelerated Expansion of the Universe Challenged by an Effect of the Inhomogeneities. A Review,” ArXiv preprint, 7 Jun 2007.

Por supuesto, estas ideas “no convencionales” que están en contra del stablishment en Cosmología han sido recibidas con gran excepticimo por la mayoría de cosmólogos en activo. Aún así, como se comenta en Stephon Alexander, Tirthabir Biswas, Alessio Notari, Deepak Vaid, “Local Void vs Dark Energy: Confrontation with WMAP and Type Ia Supernovae,” ArXiv preprint, 1 Mar 2008 , la verificación experimental de la existencia de estas inhomogeneidades locales, aunque es difícil, no es imposible y promete eliminar la “odiosa” energía oscura, cuyas propiedades físicas nos resultan extremadamente difíciles de “comprender” y “aceptar” (requieren términos de energía negativa, anti-gravitatorios, …).

Si fue una “desagradable” sorpresa la energía oscura hace 10 años, quizás pronto (el lanzamiento de Planck está previsto por la ESA para el 31 de octubre de 2008 ) descubramos una nueva sorpresa, pero esta vez más “agradable”, no estabámos tan equivocados en 1998 sobre el Universo como lo estamos ahora.