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.

Obviamente, SPT solo ha estudiado el CMB en una pequeña región del  cielo de 2500 grados cuadrados alrededor del polo sur, como muestra esta figura, mientras que Planck estudiará el cielo completo. Te recuerdo que la radiación cósmica del fondo de microondas (CMB) permite conocer la situación del universo en el momento del desacople entre materia y radiación, cuando el universo primordial tenía una temperatura de unos pocos miles de grados. Esta radiación sigue la ley de cuerpo negro con temperatura 2,725 K con gran exactitud y presenta una isotropía casi perfecta (es la misma en todas las direcciones del firmamento), aunque se observan pequeñas anisotropías del orden de 30 microkelvin de temperatura. Antes de la recombinación, materia ionizada, electrones y radiación (fotones) formaban un fluido en el que los fotones colisionaban de forma continuada con lo electrones. La gravedad y la presión del plasma actuaron de forma complementaria, la primera induciendo la formación de condensaciones (sobredensidades rodeadas de subdensidades) y la segunda suavizándolas hacia un estado de equilibrio. Como resultado aparecieron oscilaciones acústicas impulsadas por la gravedad. Estas anisotropías en el CMB se caracterizan por su escala angular y dan lugar los llamados picos acústicos (coeficientes Cl). Los primeros tres picos, que corresponden a las escalas angulares más grandes, fueron caracterizados con gran precisión por WMAP7. Estos picos caracterizan la distribución del potencial gravitatorio cuando el universo contaba unos 375.000 años de edad. La física que describe su formación es sencilla, dependiendo de las contribuciones relativas entre las perturbaciones en la densidad de energía (perturbaciones escalares) y en las ondas gravitatorias (modos tensoriales), así como también de la forma (índice espectral) de dichas perturbaciones primordiales.

En los nuevos datos de SPT han de ser combinarlos con WMAP7, BAO y H0 para mostrar todas sus consecuencias (que Planck podría confirmar o refutar a principios del año próximo). Lo primero, el  índice espectral escalar (ns) podría ser menor que la unidad; se ha obtenido un valor de n= 0,9538 ± 0,0081 (asumiendo el modelo CDM), lo que implica que ns < 1 con 5,7 sigmas de confianza estadística. Esto significa que las fluctuaciones son dependientes de la escala, lo que nos da información muy interesante sobre la inflación cósmica (en los modelos de inflación caótica n= 1). En cuanto al cociente r entre perturbaciones tensoriales y escalares, las medidas de SPT imponen un límite superior r < 0,11 al 95% C.L. (compatible con la ausencia de ondas gravitatorias corresponde a r=0). La figura muestra como estos datos permiten sesgar los diferentes modelos de inflación cósmica. Todo apunta a que los datos que ofrezca Planck serán de enorme interés para conocer el modelo correcto para la inflación cósmica.

El nuevo artículo de SPT no discute en detalle el número de especies neutrinos y hay rumores de que habrá una próxima publicación específica sobre este tema. Esto es importante porque los datos de WMAP7+BAO apuntan a cuatro especies de neutrinos si se deja libre dicho número, pero si se fija el número a tres especies entonces el valor del índice espectral escalar crece (aunque sigue siendo menor que la unidad). Habrá que seguir estando al tanto de estos temas tan interesantes.

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

  1. Según el artículo al que hace referencia esta entrada: we find the SPT bandpowers are well fit by a spatially flat ΛCDM cosmology with gravitational lensing by large-scale structure.
    1.- lo de que el universo es plano, se tiene porque la densidad de energía adimensional atribuible a la curvatura del universo es de -0,003 ± 0,018.
    2.- lo de que la estructura a gran escala del universo está sujeta a efectos de lentes gravitatorias se mide con:
    2.1.- una “lensing amplitude” de 0.86 ± 0,30 al 95% C.L.
    2.2.- una discrepancia entre las curvas continua y discontinua (en la región de esos picos acústicos con momento multipolar 1500 < l < 3000) que favorece la interpretación de las lentes gravitatorias.
    También los datos recopilados por el SPT sirven para invalidar alguno de los modelos de inflación caótica con una confianza superior al 95%.
    De acuerdo. Pero, el SPT (y sus combinaciones con otros datos observados), ¡¡¿"confirma el modelo ΛCDM y restringe fuertemente sus posibles extensiones"?!!.
    De hecho, ese artículo en la pg 14/21 dice: "other extensions of ΛCDM can also explain the data (e.g., allowing for both non-zero mean curvature and a dark energy equation of
    state w [distinta de] −1)".

    • Un físico, los datos de SPT combinados con WMAP7 y BAO pueden ser analizados bajo diferentes hipótesis (por ejemplo, se puede asumir que hay tres familias de neutrinos o dejar como parámetro libre el número de familias de neutrinos). Cuanto más restrictivas sean las hipótesis menor es el error que se obtiene en los resultados, como es de esperar. Lo habitual es analizar los datos bajo el prisma del modelo ΛCDM y luego considerar posibles extensiones; bajo dicho prisma el acuerdo experimental obtenido es muy alto.

      Lo que se comenta/sugiere en la página 14/21 sobre la ecuación de estado de la energía oscura debe ser tomado con cautela; viene a colación porque la combinación de WMAP7 y BAO (y SPT no lo cambia) parece apuntar hacia la quintaesencia (omega mayor de -1), pero el intervalo de error es grande (está a menos de 2 sigmas del valor -1 que corresponde a la constante cosmológica). Se ha dicho que se publicará este análisis SPT+WMAP7+BAO próximamente, antes de fin de año, pero nadie espera que se obtenga un resultado muy diferente del ya obtenido por WMAP7+BAO.

      Ahora mismo hay rumores de que dicho análisis apunta hacia la quintaesencia, pero la banda de error bajará poco, luego yo no creo que se alcancen las 3 sigmas de desviación, pero puedo estar equivocado. Los modos acústicos de alto orden aportan poca información directa sobre este asunto.

      Por tanto, habrá que estar al tanto, pero obviamente, la cuestión sobre el futuro del modelo ΛCDM no se decidirá hasta que se publiquen los datos del CMB de Planck.

      • Para los que tengan interés en conocer, hasta donde yo sé, las matemáticas del universo en general (y de la energía oscura en particular) les invito a leerse mis pdf:
        1- https://docs.google.com/open?id=0B4r_7eooq1u2YmI3MzdkNDctZGIyNS00MTdmLWFiOGUtN2MwZmM2MDIyOWYx
        y
        2- https://docs.google.com/open?id=0B4r_7eooq1u2QWlhWlFOYzFDbmc
        Como puede verse, el mi primer documento yo supuse que el modelo ΛCDM era sobre el que uno tiene que basarse para comprender el universo.
        Sin embargo, en el segundo documento, me entraron las dudas. Tal vez los modelos de quintaesencia / fantasma, sean los apropiados para describir la dinámica del universo. No sé.
        Ahora, tras esta entrada, tengo otra duda: ¿realmente los datos del CMB del satélite Planck validarán el modelo ΛCDM frente, por ejemplo, a un modelo de quintaesencia?.
        Me explico.
        Si para el momento multipolar l = 200 observamos que no existen ondulaciones, se puede decir que el universo es plano (curvatura es cero), ya que las lineas que surgen paralelas permanecen paralelas.
        Por mucha precisión que podamos obtener con el satélite Planck en las regiones de momento multipolar l >> 200, ¿no podría, como dice el artículo original, ajustarse también a la observación tanto el modelo ΛCDM ( con w = -1 y con una curvatura cercana a cero), como un modelo de quintaesencia (con w < -1 [aunque con w próxima a -1] y con una curvatura también próxima a cero)?.
        Estaré pendiente a los datos y los análisis que se hagan del satélite planck.

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