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

Dibujo20130704 difference map between Planck NILC and WMAP9 ILC - bottom with WAMP KQ85 mask

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

Dibujo20130405 cmb multipole spectrum wmap-9 vs planck vs spt vs act

Dibujo20130405 cmb multipole spectrum wmap-9 black vs planck red

Dibujo20130405 cmb multipole spectrum 400 -1000 wmap-9 black vs planck red

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.

Dibujo20130325 Alan Guth - Paul Steinhardt - Andrei Linde - Dirac medal 2002

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.”

Una explicación para la anomalía del fondo cósmico de microondas observada por Planck

Dibujo20130321 Planck CMB Anomaly

Hoy se han publicado los nuevos datos sobre el fondo cósmico de microondas obtenidos por el satélite Planck de la ESA. Una decepción para muchos, pues se confirma el modelo ΛCDM y los modelos más sencillos de inflación. La única sorpresa ha sido la confirmación de la anomalía que ya observó WMAP y que algunos han calificado como “el eje del mal” (AoE por “axis of evil”). Muchos esperábamos que la anomalía desapareciera, pues un artículo reciente reanalizaba los datos de WMAP y descartaba su existencia (A. Rassat, J.-L. Starck, “No Preferred Axes in WMAP Cosmic Microwave Background,” arXiv:1303.5051, 20 Mar 2013; gracias Daniel Marín (@Eurekablog) por recordarlo). Al substraer el efecto de Sach-Wolfe Integrado (ISW) en los datos de WMAP-9, gracias a su medida por 2MASS (2 Micron All-Sky Survey) y NVSS (NRAO VLA Sky Survey), la anomalía AoE desaparecía. ¿Ocurrirá lo mismo con los datos de Planck? Lo sabremos en las próximas semanas, pues Rassat y Starck no tardarán en aplicar su análisis a los datos de Planck.

Dibujo20130321 The large-scale ISW temperature field due to 2MASS and NVSS galaxies (with cross-correlat WMAP9)

Los tres primeros días de Moriond 2013

Dibujo20130305 Neff CMB Multipole SPT BAO WMAP

Los Encuentros de Moriond de 2013 sobre Teoría Electrodébil (Rencontres de Moriond EW 2013) se inauguraron el domingo pasado, 3 de marzo, con charlas sobre quarks pesados (bottom y charm), continuaron ayer lunes con charlas sobre materia oscura y el quark top, y hoy con charlas sobre neutrinos. En estos tres días no ha habido sorpresas (la mayoría de los resultados presentados ya eran conocidos y los pocos nuevos eran mejoras de resultados previos). El día estrella será mañana, con la retransmisión vía webcast de los nuevos resultados sobre el Higgs. Mis obligaciones docentes no me permitirán ver toda la retransmisión, pero espero poder hacer un resumen mañana por la noche a partir de las transparencias (slides) utilizadas (por cierto, hay que subscribirse para poder acceder a ellas).

La figura que abre esta entrada está extraída de la charla de Brent Follin (UC Davis / SPT Collaboration), “Exploring Neutrino Physics with the Cosmic Microwave Background,” Moriond EW, 5 Mar 2013 [slides], centrada en los resultados de SPT (South Pole Telescope) ya publicados en octubre de 2012 y su combinación con los de ACT y WMAP-9. Resume bien la situación actual a la espera de la publicación de los datos del satélite Planck el próximo 21 de marzo de 2013. Destaca la “tensión” entre los resultados de ACT y SPT.

Dibujo20130305 borexino - annual modulation - preliminary result - and neutrino velocity CNGS

Szymon Manecki (VirginiaTech / Borexino Collaboration), “Precision Measurement of the Beryllium-7 nu’s with the Borexino Detector,” Moriond EW, 5 Mar 2013  [slides], nos ha presentado los primeros resultados sobre la oscilación anual en el flujo de neutrinos detectados usando Be-7 en este detector (situado en Gran Sasso, Italia). Super-Kamiokande y SNO ya observaron hace años esta oscilación anual, pero en B-8. También ha presentado el resultado de la medida de la velocidad de los neutrinos múonicos generados en CNGS (los que OPERA anunció por error como superlumínicos).

Dibujo20130305 LNV new limits - majorana neutrinos

Como nos cuenta T. R. Hampson (Univ. Bristol / LHCb collaboration), “Charm mixing and CP violation in LHCb,” Moriond EW, 2 Mar 2013 [slides], LHCb no ha encontrado evidencia de la existencia de neutrinos de Majorana en la desintegración de las mesones D+ tras estudiar 1 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV c.m. de 2011; aunque no se presentan análisis de los 2 /fb a 8 TeV c.m. obtenidos en 2012, el nuevo límite es uno dos órdenes de magnitud mejor que el último publicado.

Dibujo20130305 FCNC - Dplus - suppressed by GIM theorem

LHCb tampoco ha observado corrientes neutras que cambian el sabor (FCNC) en la desintegración de mesones es D+ (también tras estudiar 1 /fb de colisiones a 7 TeV c.m.), como nos ha contado T. R. Hampson [slides]. Aún así, el límite todavía está un orden de magnitud por encima de las predicciones del modelo estándar, lo que no quita que vaya en contra de ciertas teorías más allá del modelo estándar (muchas de las cuales predicen un reforzamiento de las FCNC).

Dibujo20130305 ams-1 Pamela Fermi Heat - estimation AMS ISS 2028 error size

La búsqueda de la materia oscura en Moriond, como ya es habitual, no presenta ningún resultado relevante. Ahora mismo todo está pendiente de lo que pueda ofrecer AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) en los próximos días, pero Bruna Bertucci (Univ. Perugia / INFN), “AMS-02: Status & (future) results,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides], no ha soltado prenda en su charla. Se han recogiod unos 30 mil millones de sucesos desde el 19 de mayo de 2011 y próximamente se publicará un artículo sobre la fracción de positrones observada con energía hasta 350 GeV, lo que refutará o confirmará la anomalía observada por PAMELA (un exceso de positrones para energías entre 20 y 100 GeV). Esta anomalía no tiene una explicación aún (si posible origen en la materia oscura encuentra el problema de la ausencia de un exceso en el flujo de protones).

Dibujo20130305 fermi lat 135 GeV line - preliminary

Fermi LAT tampoco ha observado ninguna señal de la materia oscura, salvo la famosa línea espectral de rayos gamma a unos 130 GeV en la dirección del centro de la Vía Láctea. La señal es muy clara, alcanzando 4,0 sigmas sobre el fondo, como nos cuenta Gabrijela Zaharijas (ICTP / INFN, Trieste), “Searches for WIMP dark matter with the Fermi LAT for the Fermi-LAT collaboration,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides], quien además nos indica que una calibración de los calorímetros ha desplazado la línea hasta los 135 GeV. Todavía no se conoce la causa de dicha anomalía (también observada en el limbo de la Tierra). Nos comenta la posible explicación como materia oscura Alejandro Ibarra (Technische Universität München), “Fermi-LAT limits on mass degenerate dark matter scenarios,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides]. La línea espectral observada por Fermi LAT podría tener su origen en la desintegración de una partícula de materia oscura con masa 149 ± 4 GeV y <σv> = (5,7 ± 1,4) × 10−27 cm³/s, para una señal de 4,3 σ (aunque sólo 3,1 σ teniendo en cuenta el efecto LEE). Hay que tener cuidado con este valor, pues Ibarra no ha actualizado sus datos sobre la línea y también apunta como explicación alternativa una partícula con masa de 130 GeV y <σv> =1,27 × 10−27 cm³/s, para una señal de 4,6 σ (3,3 σ con LEE).

Otros experimentos han actualizado sus resultados como Daya Bay [slides], OPERA [slides], T2K [slides], EXO-200 [slides], etc., pero sin ninguna novedad relevante. En resumen, habrá que esperar a mañana, a ver qué novedades sobre el Higgs nos quieren contar.

WMAP+ACT+SPT confirman el modelo cosmológico ΛCDM con inflación a la espera de los datos de Planck

Dibujo20130213 WMAP9 temperature data and ACT and SPT CMB lensed bandpowers marginalized over secondary emissions

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.

Dibujo20130213 Marginalized distribution of Neff for different data combinations showing consistency with three neutrino species

Dos chorros de radiación gamma polarizada atraviesan las burbujas de Fermi en el centro galáctico

Dibujo20130103 Polarized intensity and magnetic angles at 23 GHz from WMA

En el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, hay un agujero negro supermasivo y varias regiones actividad intensa formación estelar. El telescopio rayos gamma Fermi-LAT observó la emisión de dos grandes burbujas de largo alcance por encima y por debajo del centro galáctico. Se publica en Nature que hay dos grandes chorros linealmente polarizados que emanan del centro galáctico y cruzan las “burbujas de Fermi” con un ángulo de unos 60 grados respecto al plano galáctico. El origen de estos chorros no es el agujero negro supermasivo Sgr A*, sino una región de intensa formación estelar situada a unos 200 parsecs de distancia. Estos chorros transportan una cantidad enorme de energía magnética, unos 10driven) salida desde el centro de la Galaxia 200 parsecs que transporta una gran cantidad de energía magnética, unos 1055 ergs, hacia el halo galáctico. La relación entre estos chorros y las burbujas de Fermi todavía no está clara, y no se sabe si estas últimas se originan debido a los primeros. La nueva observación se ha obtenido gracias al estudio S-PASS (S-band Polarization All Sky Survey) que ha construido un mapa de la emisión de radio de todo el hemisferio sur gracias al radiotelescopio Parkes en la frecuencia de 2.307 MHz, con un ancho de banda de 184 MHz y una resolución angular de 9′. El artículo técnico es Ettore Carretti et al., “Giant magnetized outflows from the centre of the Milky Way,” Nature 493: 66–69, 03 January 2013 [arXiv:1301.0512]. En este blog ya hablamos de las burbujas de Fermi en “El procesamiento de los datos del telescopio espacial Fermi y la doble burbuja galáctica de rayos gamma,” 10 noviembre 2010; “Fermi LAT descubre un chorro de rayos gamma que atraviesa el plano de la Vía Láctea,” 15 junio 2012; y “Por qué el satélite Planck no ha hallado la “primera prueba” de la materia oscura, como titula ABC,” 5 septiembre 2012.

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Los resultados de la misión WMAP de la NASA tras 9 años de observación

Dibujo20121220 wmap-9 spectrum tt and te

El satélite WMAP (Wilkinson MAP) de la NASA estudia el fondo cósmico de microondas (CMB) desde hace 9 años. Los resultados para un ajuste al modelo de consenso ΛCDM con 6 parámetros libres gracias WMAP-9 (combinado con eCMB+BAO+H0) son: el (4,628 ± 0,093)%  del universo es materia bariónica; el (24,02 ± 0,88)% del universo es materia oscura (fría); el (71,35 ± 0,96)% es energía oscura (supuesta resultado de una constante cosmológica, o sea, con ω=−1); el índice espectral escalar es 0,9608 ± 0,0080; el universo es plano Ωk = −0,0031 ± 0,0039, con |Ωk| < 0,0094 al 95% CL (suponiendo Ωk > 0, se obtiene Ωk < 0,0062 al 95% CL). Todas las anisotropías observadas son gaussianas, como predice la teoría de la inflación. El número de neutrinos es 3,26 ± 0,35  3,84 ± 0,40 (valor corregido el 30 de enero de 2013 porque había un error en el análisis), con una masa total < 0,44 eV al 95% CL. En cuanto a la ecuación de estado de la materia oscura se obtiene −1,162 < ω < −0,983 (compatible con una constante cosmológica). La edad del universo es de (13,772 ± 0,059) Gyr (miles de millones de años). La constante de Hubble es (69,32 ± 0,80) km/s/Mpc. Los interesados en más detalles pueden consultar la tabla 17 de la página 128 del artículo técnico de C. L. Bennett et al., “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results,” arXiv:1212.5225, 20 Dec 2012 [más información]; G. Hinshaw et al., “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results,” arXiv:1212.5226, 20 Dec 2012.

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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.

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