Francis en @TrendingCiencia: El flujo oscuro y el multiverso

Dibujo20131110 Galaxy clusters like 1E 0657-56 seem to be drifting toward a 20-degree-wide patch of sky -ellipse- between the constellations of Centaurus and Vela NASA WMAP

Mi nuevo podcast sobre física para Trending Ciencia lo puedes escuchar siguiendo este enlace. He elegido como tema una especulación científica motivada por ciertos datos cosmológicos, la existencia del flujo oscuro y su origen en la idea del multiverso. El físico español Fernando Atrio-Barandela, profesor de la Universidad de Salamanca, y varios colegas reivindican que el flujo oscuro existe, aunque los datos del telescopio espacial Planck sobre el fondo cósmico de microondas no son concluyentes. Y la física teórica Laura Mersini-Houghton, de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, opina que el flujo oscuro es una señal clara de la existencia de otros universos que interaccionan de forma cuántica con el nuestro en el marco del multiverso. La controversia está servida. Pero, ¿qué es el flujo oscuro?

La idea de esta podcast me la ha dado la lectura de los artículos de José Manuel Nieves, “¿La primera prueba de que existen universos paralelos?,” ABC, 04 Nov 2013, y “¿Existe la ‘puerta’ hacia el multiuniverso?,” RT Actualidad, 03 Abr 2013.

En septiembre de 2008, científicos de la colaboración del telescopio espacial WMAP de la NASA, estudiaron el movimiento de unos 700 cúmulos de galaxias (las manchas blancas en la imagen de arriba) y para su sorpresa encontraron que su movimiento parecía apuntar a una cierta región del cielo (la elipse morada en la figura) de unos 20 grados de cielo entre las constelaciones de Centauro y Vela. Llamaron “flujo oscuro” a este inexplicable movimiento, en analogía con la energía oscura y la materia oscura, pues todos los cúmulos se dirigen hacia una región en la que no existe ningún exceso de masa que pueda justificar que este flujo sea debido a la atracción gravitatoria de la materia de nuestro universo. La hipótesis de Alexander Kashlinsky, investigador en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, el español Fernando Atrio-Barandela, profesor de la Universidad de Salamanca, Harald Ebeling, de la Universidad de Hawai y Dale Kocevski, actualmente en la Universidad de California en Davis, es que la fuente del flujo oscuro es alguna anisotropía en la distribución de materia en el universo producida durante la inflación cósmica, que de alguna forma desplazó una gran cantidad de materia fuera del horizonte del universo, es decir, fuera del universo visible.

Los artículos técnicos son A. Kashlinsky, F. Atrio-Barandela, D. Kocevski, H. Ebeling, “A measurement of large-scale peculiar velocities of clusters of galaxies: technical details,” Astrophysics Journal 691:1479-1493, 2009 (arXiv:0809.3733 [astro-ph]). A. Kashlinsky, F. Atrio-Barandela, D. Kocevski, H. Ebeling, “A measurement of large-scale peculiar velocities of clusters of galaxies: results and cosmological implications,” Astrophysics Journal 686: L49-L52, 2009 (arXiv:0809.3734 [astro-ph]).

El flujo oscuro se observó en el fondo cósmico de microondas, la radiación emitida cuando el universo tenía 380.000 años de edad durante la recombinación, la formación de los primeros átomos, cuando le universo pasó de ser opaco a ser transparente para los fotones. Los cúmulos galácticos se pueden estudiar en el fondo cósmico de microondas gracias al efecto cinemático de Sunyaev-Zel’dovich, una pequeña corrección al efecto térmico de Sunyaev-Zel’dovich. El análisis de 2008 utilizó los datos de WMAP tras 3 años de observación. A finales del año 2010 se volvió a repetir el análisis con los datos de WMAP tras 5 y 7 años de observación, confirmado los resultados preliminares sobre el flujo oscuro, pero ampliando la escala de movimiento a un volumen ocho veces mayor que el resultado original. Con los nuevos datos los cúmulos de galaxias se movían a una velocidad de unos 1000 Km/s en una dirección entre las constelaciones de Hydra y Centauro.

A. Kashlinsky, F. Atrio-Barandela, H. Ebeling, “Measuring the dark flow with public X-ray cluster data,” The Astrophysical Journal 732: 1, 2011 (arXiv:1012.3214 [astro-ph.CO]).

Dibujo20131110 dark flow galaxy clusters and flow direction by distance - wmap nasa

El flujo oscuro generó mucha controversia y se produjo un gran debate al respecto pues contradecía la hipótesis de homogeneidad e isotropía el modelo cosmológico de consenso. A finales de 2011, el flujo oscuro recibió un importante revés con el trabajo que Richard Watkins, profesor en la Universidad de Willamette en Salem, Oregón, y varios colegas publicaron en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Midieron el movimiento relativo de las galaxias usando el catálogo de supernovas de Tipo 1a, que permite medir con precisión la distancia y la velocidad de las galaxias en las que se encuentran estas supernovas. Watkins y su equipo observaron que las galaxias se mueven en la misma dirección que el flujo oscuro pero con velocidades mucho más bajas, del orden de unos 450 km/s, y, además, este movimiento sólo se observó a distancias cercanas (desplazamientos al rojo de hasta z ~ 0,2), no en todo el universo visible. Por tanto, este movimiento no estaría en contradicción con los modelos cosmológicos, que son compatibles con la existencia de conjuntos de galaxias que fluyen en la misma dirección, siempre y cuando la mayor parte de su movimiento sea aleatorio. Lo importante del nuevo trabajo es que los datos de supernovas permiten una medida mucho más precisa que el análisis del cinemático de Sunyaev-Zel’dovich en el fondo cósmico de microondas. Por supuesto, los defensores del flujo oscuro no quedaron convencidos del todo con el nuevo estudio afirmando que incluso si su estudio sobrestimó la velocidad del flujo oscuro y haya que considerar una velocidad un 30% menor, el nuevo estudio no invalida la existencia de dicho flujo oscuro. Pero, ¿qué dicen los datos de marzo de 2013 del telescopio espacial Planck de la ESA sobre el flujo oscuro?

El artículo técnico es E. Macaulay et al., “Power spectrum estimation from peculiar velocity catalogues,” MNRAS 425: 1709-1717, 2012 (arXiv:1111.3338 [astro-ph.CO]).

La mayoría de los expertos estaban esperando a la publicación de los datos del telescopio espacial Planck de la ESA sobre el fondo cósmico de microondas en marzo de 2013. El español Fernando Atrio-Barandela, de la Universidad de Salamanca, es miembro de la Colaboración Planck y ha participado en este estudio. El análisis oficial de los datos de Planck muestra el flujo oscuro, igual que los datos WMAP, pero la amplitud de dicho flujo tiene asignada una gran incertidumbre experimental, por lo que la versión oficial de la colaboración Planck, publicada en su artículo número XIII, es que se trata de una fluctuación estadística en los datos, es decir, la señal observada no es una señal estadísticamente significativa. Sin embargo, Fernando Atrio-Barandela no está de acuerdo con este resultado oficial y afirma que la colaboración Planck ha sobreestimado los errores sistemáticos en su análisis. Mediante un nuevo método de análisis cree que es capaz de reducir mucho los errores sistemáticos y el resultado que obtiene es coherente con los resultados de WMAP. Por supuesto, habrá que esperar a la publicación de los nuevos datos de Planck en junio de 2014 para confirmar o desmentir este resultado. Seguro que te preguntarás, ¿y qué tiene todo esto que ver con el multiverso?

Los artículos técnicos son Planck Collaboration, “Planck 2013 results,XIII. Galactic CO emission,” arXiv:1303.5073 [astro-ph.GA], 25 Mar 2013, y F. Atrio-Barandela, “On the Statistical Significance of the Bulk Flow Measured by the PLANCK Satellite,” arXiv:1303.6614 [astro-ph.CO], 9 Aug 2013.

Dibujo20131110 multiverse - artist work

Laura Mersini-Houghton, física teórica en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, y Richard Holman, profesor en la Universidad Carnegie Mellon, publicaron en 2009 en la revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics una explicación alternativa. En su artículo especularon que la fuente del flujo oscuro podría ser la interacción gravitatoria entre nuestro universo y otro universo, formando ambos parte del multiverso que fue resultado de la inflación cósmica. El flujo oscuro podría ser una señal de la física preinflacionaria y una ventana hacia el multiverso. Palabras mayores que han generado mucha controversia entre los expertos. Sin entrar en los detalles técnicos de su idea, la propuesta considera que la función de onda de cada universo del multiverso puede comportarse como cualquier sistema cuántico y puede entrelazarse con otras funciones de onda de otros universos. Su propuesta predice en otros efectos la existencia del flujo oscuro inducido por las inhomogeneidades no inflacionarias en el superhorizonte del universo.

El artículo técnico es L. Mersini-Houghton, R. Holman, ““Tilting´´ the universe with the landscape multiverse: the dark flow,” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, JCAP02(2009)006, 2009 (arXiv:0810.5388 [hep-th]). Recomiendo leer a Maggie McKee, “Planck map shows no hint of sister universe tugging on ours,” New Scientist 218: 13, 6 Apr 2013. En español recomiendo José Manuel Fuentes, “¿La primera prueba de que existen universos paralelos?,” ABC, 04 Nov 2013.

La Doctora Mersini-Houghton cree que el flujo oscuro demuestra su especulación, sin embargo, la controversia asociada al flujo oscuro nos obliga a ser cautos. La opinión de la mayoría de los cosmológos es que se trata de una especulación científica y que las anomalías que dan lugar al flujo oscuro son fluctuaciones estadísticas que desaparecerán con los datos que publique el año próximo el telescopio espacial Planck de la ESA. Pero hasta junio 2014, la duda persistirá.

Coda final. Este podcast y esta entrada participan en la edición XLVI del Carnaval de Física organizado por el blog padre de la idea de los carnavales de física, Gravedad Cero.

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9 pensamientos en “Francis en @TrendingCiencia: El flujo oscuro y el multiverso

  1. La lectura de la (excelente) entrada me ha dejado con una duda. Una de las teorías habla de la interacción gravitatoria entre nuestra supuesta “burbuja” y otra de nuestro alrededor. Pero si el influjo de la gravedad se desplaza a la velocidad de la luz (o eso tengo entendido), ¿no significaría eso que la luz de esta otra burbuja debería habernos alcanzado igualmente y, por tanto, formar parte del universo visible?

    Si se tratara de entrelazamiento con partículas de otras burbujas ni siquiera tengo idea de cómo podría influir eso en el desplazamiento aparente de esas galaxias. ¿Cuál se supone que sería el mecanismo de atracción en ese caso?

    • Emilio, los “universos burbujas” están desconectados entre sí para las interacciones electromagnética, débil y fuerte, luego es imposible que la luz de un “universo burbuja” llegue a los demás. La idea es el entrelazamiento cuántico de las funciones de onda de Wheeler-DeWitt asociadas a cada “universo burbuja” (no es entre las partículas o cosas que contengan). El mecanismo es difícil de explicar en pocas palabras; supongo que sabrás que las anisotropías del fondo cósmico de microondas se asocian a las fluctuaciones cuánticas primordiales de la función de onda de Wheeler-DeWitt del universo primordial que fueron amplificadas por la inflación; la idea es que hay correlaciones no locales e interferencia cuántica entre dichas fluctuaciones para las funciones de onda de parejas de “universos burbuja”. Por supuesto, una especulación tremenda si no se cuenta con una teoría cuántica de la gravedad.

      • Creo que se me queda grande con mi nivel actual.
        Hasta ahora tenía entendido que puede haber partes de este universo demasiado alejadas (y además, alejándose) como para que la luz (ni por tanto ninguna otra cosa, tampoco su gravedad) interaccione con el nuestro, y entendía esto como la desconexión mencionada. ¿Voy bien?
        Por lo que entiendo después, (encantado de conocerles, señores Wheeler-DeWitt), el mecanismo sería un supuesto entrelazamiento del sistema de funciones de onda entre partes desconectadas del universo en los primeros instantes antes de la expansión/desconexión. No sé si van más o menos por ahí los tiros :)

        Llevo como dos o tres meses siguiendo tu blog y cada vez van sonando más campanas aquí y allá, pero aún hay muchísimas piezas del puzzle tiradas sobre la mesa que ni idea de qué son o dónde encajan. Seguiremos aprendiendo de a poco, los átomos que constituyen toda la materia de la capital italiana no fueron eyectados por el colapso de varias estrellas en un breve lapso humano de tiempo.

  2. En la línea de Peter Woit todo esto me parece disparatado. Si hay anisotropía el modelo del big bang se debilita, el universo deja de ser tan homogéneo como nos dicen y su origen resulta todavía más incierto. Pero lo que me parece ciertamente extravagante es argumentar que la fuente del flujo oscuro es el resultado del tirón gravitatorio de un universo adyacente al nuestro. Se bascula de la singularidad inicial, la gran explosión, a los multiversos, no parecen haber argumentos intermedios para explicar el cosmos. A ver si el señor Woit se anima a escribir algo al respecto para echarme unas risas.

  3. Yo lo que no entiendo es que narices pinta la explicación tan socorrida del multiverso que por todas partes aparece, que si dimensiones extra, que si multiversos…

    Supongamos que tenemos una partícula A que no interacciona con la materia ordinaria en forma alguna ¿podemos decir que esa partícula no pertenece a este universo?

    Pues hombre, habrá quien diga que sí, yo prefiero pensar que interacciona de forma débil o que interacciona de formas que no comprendemos, o prefiero pensar que en condiciones de extrema presión y temperatura la fuerza de los unicornios azules se unifica con el resto y esa partícula vuelve al redil…

    La verdad es que es desconcertante incluso para un profano como yo la divergencia que existe a la hora de explicar todo lo que estamos encontrando, parece como si los resultados de los experimentos se empeñasen en burlarse de todo el mundo.

    Otra cosa que me da mucho “miedo” es la tremenda dependencia que observo entre nuestra explicación del Universo y las famosas candelas estándar, hay algo que no me cuadra, no me cuadra que me digan que entre nosotros y esas candelas hay un mogollón de “nosesabequé” y sin embargo que me digan que la luz de esas candelas es un método fetén para medir distancias o lo que sea que midan, coñe, con tanto “nosequé” que hay por el medio que no sabemos qué es ni cómo afecta a la luz, al espacio o a la materia circundante… ¿de qué estamos hablando?

    Perdón por el asesinato/berrinche pero es que en ocasiones me parece que cada vez sabemos menos sobre el Universo, que si el plano de la eclíptica en los datos de las anisotropías, que si variaciones estacionales en la desintegración radiactiva, que si exceso de positrones en los rayos cósmicos, que si no aparece nada en ninguno de los experimentos sobre materia oscura…

    Mira que si lo de medir distancias en el Universo se nos da terriblemente peor de lo que pensamos, mira que si las candelas no valen ¿se ha encontrado alguna evidencia de materia oscura en el espacio entre la tierra y la primera candela estandar? ¿y si las candelas estándar son cada vez menos “estándar” cuanto más atrás en el tiempo?

    Me parece importantísimo saber si “sabemos medir” antes de ponerse a elucubrar y a experimentar a tontas y a a locas: http://www.abc.es/ciencia/20130306/abci-miden-precision-distancia-galaxia-201303061553.html

    • La teoria de multiversos (bueno una de ellas porque este nombre se aplica a cosas muy diferentes) no es que sea algo socorrido, sino que la teoria inflaccionaria, que es la aceptada por la mayoria de cientificos, casi exige que existan multiversos, porque si no fuese asi tendria que haberse dado una casualidad increible, y los fisicos no creen en esas casualidades de 1 entre trillones.

      Del resto que cuentas, la cosmologia es un campo dificil, no puedes llevar las cosas al laboratorio y repetir los experimentos, no puedes mandar una nave espacial a una supernova 1A o a una cefeida para verificar la distancia. Pero hay razones importantes para pensar que se pueden usar como candelas standard, si no fuese cierto no solo no valdria lo que creemos saber de cosmologia, sino que la propia fisica basica (la que si se puede comprobar en el laboratorio) tampoco seria correcta y esto es mucho mas dificil que pueda pasar.
      Debido a todo esto en cosmologia se usan multitud de datos, de diferentes fuentes y distintos metodos estadisticos, para intentar minimizar errores y fluctuaciones estadisticas.
      Y por supuesto en ciencia nunca nada es seguro al 100%.

      • Bueno, eso de que “los fisicos no creen en esas casualidades de 1 entre trillones” es sólo cuando esas casualidades van en contra de sus teorías actuales.

        De hecho hay precisamente una casualidad de esas que clama al cielo, y son las lentes gravitatorias aplicadas a los cuásares que se ven delante de galaxias con desplazamiento al rojo (z) menores que esos cuásares. Cruz de Einstein por ejemplo.

        Así que si les vienen bien sí que se las creen. Esa por ejemplo hace posible que se sigan usando la más que dudosa premisa de que mayor z implica mayor distancia, fundamento de la “medición” de largas distancias, y por ende de la cosmología actual.

        Que eso falle no se cargaría la física, sólo implicaría asumir, que tampoco pasa nada, que se supone que de eso va la ciencia, que se está equivocado con el big bang y otras muchas cosas, y que existen mecanismos desconocidos (aunque sé de algunas propuestas) que provocan esos desplazamientos al rojo.

  4. “sino que la teoría inflacionaria, que es la aceptada por la mayoría de científicos, casi exige que existan multiversos, porque si no fuese así tendría que haberse dado una casualidad increíble, y los físicos no creen en esas casualidades de 1 entre trillones”…

    La casualidad se presenta tan pronto se postula que el universo tiene un comienzo, pero si no tiene un origen conocido desaparece la casualidad. Los modelos finitistas del universo que predicen un tiempo cero plantean casualidades, por eso el big bang, que es finitista, muestra paradojas. Lo mejor sería estudiar el universo cercano sin conjeturar un comienzo para el mismo, cada indicio de anisotropía observada va en la dirección contraria a los modelos finitistas del cosmos. La creencia en el big bang adquirió movimiento uniforme pese a ser un planteamiento fenomenológico que se basa en la isotermicidad e isotropía de esta región del universo. Pero el observador local no es un observador universal, no sabemos si hay isotropía e isotermicidad en otras regiones del cosmos. Lo que en realidad es un planteamiento fenomenológico ha devenido teoría, de ahí que se acuda a los multiversos y otras hipótesis para fundamentar la teoría. Lo cual me parece disparatado.

  5. “Llevo como dos o tres meses siguiendo tu blog y cada vez van sonando más campanas aquí y allá, pero aún hay muchísimas piezas del puzzle tiradas sobre la mesa que ni idea de qué son o dónde encajan”…

    Bueno, eso nos pasa a todos, científicos y profanos :-D Eso sí, un modo de encajar las piezas es postular la gran explosión como el origen del universo, otra cosa es que esto sea acertado. Yo creo que no lo es porque tan pronto surja una anisotropía el modelo gran-explosivo se debilita, y mucho me temo que a medida que mejore la astronomía de precisión la anisotropía se hará más evidente.

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