Francis en Naukas Bilbao 2013: “Lo siento Planck, pero no me lo creo”

Dibujo20131002 victor ruiz naukas 2013 photoYa puedes disfrutar del vídeo de mi charla “Lo siento Planck, pero no me lo creo” en el evento de divulgación científica Naukas Bilbao 2013. Todo un éxito que demostró a propios y extraños que la ciencia y el escepticismo interesan cada día más. Yo he disfrutado mucho y he aprendido muchas cosas. Te animo a ver todas las charlas que han sido grabadas con gran calidad por la EITB. El pésimo título de mi charla oculta que su contenido versa sobre el consenso científico en las grandes colaboraciones de Big Science. Como siempre, permíteme una transcripción libre de su contenido.

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La posible curvatura negativa del universo

Dibujo20130923 large scale anomaly - cmb seen by planck - march 2013

Saber si el universo es plano (Ωk = 0) es imposible. Los experimentos sólo pueden poner un límite superior a su curvatura. El fondo cósmico de microondas (CMB) observado por el telescopio espacial Planck de la ESA nos ha permitido obtener un valor combinado Planck+WMAP9+ACT+SPT+BAO de Ωk = 0,0005 ± 0,0070 al 95% C.L. El universo parece plano, pero podría tener una pequeñísima curvatura, positiva o negativa. El CMB observado por Planck muestra varias anomalías a gran escala en el universo (para los multipolos acústicos con ℓ < 40, por encima de 3º de cielo) que no tienen explicación dentro del modelo cosmológico de consenso ΛCDM (que ajusta perfectamente los multipolos entre 50 < ℓ < 3000, por debajo de 2º de cielo). Una de las anomalías es una asimetría norte-sur con respecto al plano de la eclíptica (el plano del Sistema Solar). Andrew Liddle y Marina Cortês, ambos de la Universidad de Edimburgo, Reino Unido, publican en Physical Review Letters una explicación de esta anomalía que asume que el universo es abierto y tiene una pequeñísima curvatura negativa. Los datos que Planck publicará en junio de 2014, que incluyen la polarización del CMB, confirmarán (o descartarán) la anomalía y estimarán la curvatura por debajo de los límites compatibles con la idea de Liddle y Cortês. Mientras tanto estos físicos disfrutarán de su momento de gloria. Muchos medios se han hecho eco de su trabajo, como Ron Cowen, “Universe may be curved, not flat,” Nature News, 20 Sep 2013; Marc Kamionkowski, “Is the Lopsided Universe an Open Universe?,” Viewpoint, Physics 6: 98, Sep 9, 2013; el artículo técnico es Andrew R. Liddle, Marina Cortês, “Cosmic Microwave Background Anomalies in an Open Universe,” Phys. Rev. Lett. 111: 111302, Sep 9, 2013.

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La diferencia entre Planck y WMAP-9 para el fondo cósmico de microondas

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Diferencia entre los datos de Planck y WMAP-9 para el fondo cósmico de microondas. Fuente: arXiv:1305.4033

Nadie sabe el porqué, pero hay una diferencia mayor de la esperada entre el fondo cósmico de microondas (CMB) observado por Planck (publicado por ESA en marzo de 2013) y por WMAP-9 (publicado por NASA en diciembre de 2012). Suponiendo que los datos de Planck son más fiables, los datos de WMAP-9 presentan un dipolo cuyo origen es desconocido, pero se cree que debe ser resultado de algún tipo de contaminación. De hecho, comparando los datos de WMAP-9 y WMAP-7 también se observa dicho dipolo, aunque con menor amplitud. La comparación se ha realizado filtrando los datos de Planck para que su resolución coincida con la de WMAP-9. La diferencia entre ambos es la responsable de que según Planck haya más materia oscura y menos energía oscura en el universo de lo que indicó WMAP-9. Más información técnica en Anne Mette Frejsel, Martin Hansen, Hao Liu, “Consistency tests for Planck and WMAP in the low multipole domain,” arXiv:1305.403317 May 2013, y en András Kovács, Julien Carron, István Szapudi, “On the Coherence of WMAP and Planck Temperature Maps,” arXiv:1307.1111, 03 Jul 2013.

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Por primera vez se detecta un modo B de polarización en el fondo cósmico de microondas

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La polarización del fondo cósmico de microondas presenta modos E y modos B, siendo estos últimos una contaminación medible debida al fondo cósmico de ondas gravitatorias producidas durante la inflación cósmica en los primeros instantes del big bang. La noticia científica del día es que SPT (South Pole Telescope) ha detectado por primera vez un modo B con 7,7 sigmas en la pequeña región del fondo cósmico de microondas que explora desde el Polo Sur. Por tanto, se puede afirmar que los modos B existen y que el análisis de los datos del telescopio espacial Planck sobre la polarización del fondo cósmico de microondas que se publicarán en 2014 podrían detectar muchos. La importancia de los modos B es que nos ofrecen mucha información sobre el campo inflatón responsable de la inflación cósmica, actuando como una navaja de Ockham sobre todos los modelos. Sin embargo, este modo B no es suficiente para empezar a descartar modelos inflacionarios ya que no se trata de un modo B de origen primordial (o inflacionario) pues también hay fenómenos de “primer plano” que pueden dar a lugar a estos modos, como lentes gravitatorias débiles; pero es muy importante entender este tipo de modos B para poder diferenciarlos de los modos B primordiales de gran interés inflacionario. Por ello me parece que se trata de una gran noticia. El artículo técnico es D. Hanson et al. (SPT), “Detection of B-mode Polarization in the Cosmic Microwave Background with Data from the South Pole Telescope,” arXiv:1307.5830, Subm. 22 Jul 2013.

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Steven Weinberg nos explica por qué Planck observa 3,39 especies de “neutrinos”

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El número de especies de neutrinos (partículas ultrarrelativistas) según las medidas cosmológicas y del fondo cósmico de microondas es un número fraccionario entre 3 y 4. Parece obvio que o bien hay 3 tipos de neutrinos, o bien hay 4, pero no puede haber 3,39 tipos. El Premio Nobel de Física Steven Weinberg propone en Physical Review Letters que la existencia de bosones de Goldstone sin masa podría contribuir con un factor 0,39. Una bonita idea para hoy, el día que el bosón de Higgs cumple un año de edad. El campo de Higgs presenta dos tipos de partículas, los bosones de Higgs y los bosones de Goldstone, pero estos últimos no son partículas como tales, no son observables, pues se acoplan a las partículas W y Z. Para que existieran bosones de Goldstone observables como partículas tendría que existir, al menos, una simetría U(1) adicional en el modelo estándar. Weinberg nos propone esta idea tan especulativa y realiza los cálculos en su nuevo artículo. Por supuesto, no es el único en proponer este tipo de idea, pues muchos otros físicos han realizado propuestas similares (la existencia de partículas ultrarrelativistas con masa nula o casi nula que interaccionan tan débilmente con el resto del modelo estándar que su contribución cosmológica sería fraccionaria). Pero por supuesto, la idea ha aparecido en varios medios al ser ofrecida por un famoso Premio Nobel. Además, qué mejor manera de celebrar el descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC hace un año que con un artículo de Steven Weinberg, el primero en incorporar el campo de Higgs en el modelo estándar. El artículo técnico es Steven Weinberg, “Goldstone Bosons as Fractional Cosmic Neutrinos,” Phys. Rev. Lett. 110: 241301, 10 Jun 2013 [arXiv:1305.1971]. Recomiendo leer a Lisa Grossman, “Is missing ‘partial’ neutrino a boson in disguise?,” New Scientist, 27 Jun 2013.

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La suma de la masa de los neutrinos según los últimos datos cosmológicos

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Uno de los resultados más esperados sobre el fondo cósmico de microondas (CMB) observado por el telescopio espacial Planck de la ESA era una cota inferior a la suma de la masa de todos los neutrinos (en realidad, de todas las partículas ligeras ultrarrelativistas). Por desgracia, los datos de Planck no son suficientes para obtenerla. Ni siquiera la combinación de Planck con otros estudios cosmológicos (BAO, WiggleZ, HST) permite obtener una cota inferior. Un nuevo artículo que combina Planck+BAO+WiggleZ nos da como cota superior Σmν < 0,15 eV (al 95% C.L.); combinando Planck+BAO+WiggleZ+HST se obtiene Σmν < 0,14 eV, pero esta cota es menos fiable por la tensión entre Planck y HST respecto a la constante de Hubble. Estas cotas se han obtenido suponiendo que sólo hay 3 “sabores” de neutrinos. Si no se fija el número de “sabores” de neutrinos, los datos combinados Planck+WiggleZ+BAO indican que hay Neff = 3,9 ± 0,34 tipos de neutrinos (es decir, apuntan a la existencia un neutrino estéril aún no observado), pero entonces el límite superior para la suma de sus masas es de Σmν < 0,24 eV. El artículo técnico es Signe Riemer-Sørensen, David Parkinson, Tamara M. Davis, “Combining Planck with Large Scale Structure gives strong neutrino mass constraint,” arXiv:1306.4153, 18 Jun 2013.

Cuando ojeé arXiv no le presté atención a este artículo, pero volvió a despertar mi interés gracias a un tuit de Amarashiki (@riemannium, autor del blog “The Spectrum of Riemannium“): “Neutrino mass sum bounded from below and above!!! More details here!!! http://arxiv.org/abs/1306.4153.” Me sorprendió mucho su entusiasmo, pues el nuevo artículo no calcula ninguna cota inferior para la suma de las masas de los neutrinos, todo lo contrario, toma dicha cota de los resultados de los experimentos de oscilación de neutrinos, que apoyan un límite inferior de Σmν > 0,05 eV (al 95% CL), y cita como fuente un artículo de 1998 (The Super-Kamiokande Collaboration, “Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos,” Phys. Rev. Lett. 81: 1562-1567, 1998 [arXiv:hep-ex/9807003]) y el Particle Data Group. Me parece que mi amigo Amarashiki ha caído en la “trampa del abstract” (leer el resumen de un artículo sin leer su contenido y creer que lo que dice el resumen corresponde al contenido del artículo). Por cierto, esto es algo que nos pasa a todos.

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Planck 2013 (XXIX): El catálogo de Planck de fuentes del efecto Sunyaev-Zel’dovich

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El fondo cósmico de microondas (CMB) presenta regiones con un corrimiento al azul debidas al efecto Sunyaev–Zel’dovich (SZ) resultado del efecto Compton inverso, la interacción de los fotones de baja energía del CMB con los electrones de alta energía de un cúmulo galáctico. Gracias a ello, el telescopio espacial Planck de la ESA, tras 15,5 meses de observación, ha publicado un catálogo de 1227 candidatos a cúmulos y supercúmulos galácticos, llamado ESZ (Planck Early SZ). Entre ellos están confirmados 861, de los 683 ya eran conocidos y 178 han sido descubiertos por Planck. Los restantes 366 son candidatos y aún requieren confirmación independiente. En esta imagen se muestra el supercúmulo Shapley, formado por varios cúmulos galácticos, uno de los más bellos (sobre todo cuando uno imagina lo inmenso que es lo que se está viendo). Los interesados en los detalles técnicos pueden consultar el artículo Planck Collaboration, “Planck 2013 results. XXIX. Planck catalogue of Sunyaev-Zeldovich sources,” arXiv:1303.5089, 20 Mar 2013. Lo sé, lo sé, los resultados de Planck ya fueron noticia en su momento, pero estoy releyendo los artículos técnicos y habrá una serie de entradas en este blog sobre ellos.

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

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Dibujo20130405 cmb multipole spectrum wmap-9 black vs planck red

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Dibujo20130405 cmb multipole spectrum 1000 -1600 wmap-9 black vs planck red

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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