Conferencia en Málaga: «Lo que sabemos que no sabemos sobre el big bang»

Por supuesto, mi conferencia divulgativa, dirigida a un público general, hoy a las 20:00 horas en la Sala Cajamar (Alameda Principal 9, esquina con calle Córdoba), Málaga, no tendrá nada que ver con la popular sitcom de humor. «Hablaré acerca de lo que se conoce y se desconoce sobre el universo primordial y de cómo las físicas del macrocosmos y del microcosmos se enzarzan en desentrañar el misterio de su evolución temprana.» La entrada es libre hasta completar aforo. Organizan la Sociedad Malagueña de Astronomía y la Universidad de Málaga. Lo siento, no habrá streaming, pero prometo escribir un artículo para el Journal of Feel Synapsis con un resumen de la charla.

La Sala Alameda Cajamar estuvo casi llena y, por los comentarios tras la charla, parece que dejé un buen sabor de boca y ganas de saber más. Esta foto a mitad de la charla es de Cajamar Caja Rural ‏(@Cajamar) y la siguiente foto ya en el turno de preguntas es de Isaac Lozano (‏@_d3n3b_).

Francis en @TrendingCiencia: El annus mirabilis de la teoría del big bang

Mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia ya está disponible en este enlace. Como siempre una transcripción, enlaces e imágenes.

El tema de hoy es «The Big Bang Theory», pero no la popular sitcom de televisión, sino la historia de la teoría del big bang de George Gamow y Ralph Alpher, y su annus mirabilis, el año 1948. Pero antes tengo una primicia para tí, que me oyes todos los lunes en Trending Ciencia. Si estás en Málaga el próximo 12 de noviembre podrás asistir a mi conferencia «Lo que sabemos que no sabemos sobre el Big Bang.» Esta conferencia se iniciará recordando la historia que te voy a contar en este podcast, la historia del annus mirabilis de la teoría del big bang, el año 1948. ¡Ah! Por cierto, ¿conoces la historia del término «big bang» para referirse a la teoría de Gamow y Alpher?

Este podcast está basado en el artículo de P. J. E. Peebles, «Discovery of the Hot Big Bang: What happened in 1948,» arXiv:1310.2146 [physics.hist-ph], 8 Oct 2013.

Los datos Pan-STARRS sobre la energía oscura a 2,4 sigmas de la constante cosmológica

No sabemos qué es la energía oscura. Si se trata de la constante cosmológica de Einstein entonces su ecuación de estado es ω=p/ρ=−1, pero si se trata de la quintaesencia sería ω≠−1. Los datos cosmológicos Planck+WP+highL+BAO indican que ω=−1,13±0,25. Los últimos resultados sobre supernovas Ia de Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) indican que  ω=−1,186±0,076 (valor combinado Pan+BAO+Planck+H0), que está a 2,4 sigmas de ω=−1. Por supuesto, todavía se trata de un estudio preliminar pues sólo se han estudiado 146 supernovas de tipo Ia (0,03 < z < 0,65) descubiertas durante los primeros 1,5 años de Pan-STARRS. Y además, no se trata de ninguna sorpresa, pues el valor ω≠−1 depende sobre todo de los datos cosmológicos; el valor de Pan-STARRS sin combinar es ω=−1,015 ± 0,319 (stat) ± 0,164 (syst), perfectamente compatible con ω=−1. Habrá que esperar al análisis completo de todos los datos que Pan-STARRS, que recabará datos de un número tres veces mayor de supernovas, y por supuesto a la nueva medida cosmológica de ω que se obtendrá en junio de 2014 con la publicación del mapa de la polarización del fondo cósmico de microondas por el telescopio espacial Planck de la ESA. Por todo ello, los cosmólogos seguirán pensando que la constante cosmológica es la responsable de la energía oscura. El artículo técnico es Armin Rest et al., «Cosmological Constraints from Measurements of Type Ia Supernovae discovered during the first 1.5 years of the Pan-STARRS1 Survey,» arXiv:1310.3828 [astro-ph.CO], 14 Oct 2013.

Francis en Trending Ciencia: El campo de Higgs y la inflación cósmica

Ya puedes escuchar mi nuevo Podcast para Trending Ciencia sobre el bosón de Higgs (siento que mi voz no sea perfecta pero la tengo un poco tocada). Como siempre una transcripción del audio.

La teoría del big bang, la gran explosión, asume que el universo inició la flecha del tiempo y la expansión cósmica hace 13 800 millones de años. Hoy en día el universo es más grande de lo necesario para explicar por qué es tan homogéneo y tan isótropo a grandes escalas. El universo visible tiene un diámetro radio de unos 93.000 millones de años luz, un radio mucho mayor que lo que puede recorrer la luz durante toda su edad, 13.800 millones de años, ya que el universo está en expansión. La explicación más sencilla es la inflación cósmica introducida en 1981 por el físico Alan H. Guth y otros físicos (como Andrei Linde, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt). Las inhomogenidades y las anisotropías en los primeros instantes de la gran explosión serían aplanadas por una hiperaceleración brevísima de la expansión del universo en los primeros instantes del big bang que daría lugar a un universo plano, homogéneo e isótropo, compatible con el análisis del fondo cósmico de microondas observado por el telescopio espacial Planck de la ESA. Hoy en día la inflación forma parte del modelo cosmológico de consenso y muy pocos cosmólogos dudan de su existencia.

La posible curvatura negativa del universo

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.

La estabilidad del vacío del modelo estándar

La masa del bosón de Higgs y del quark top (cima) apuntan a que el vacío del modelo estándar es metaestable, aunque no estamos del todo seguros porque está en el borde entre estable y metaestable. Además, los errores son muy grandes, tanto los experimentales, sobre todo en la masa del quark top, como los teóricos, hay que extrapolar los cálculos hasta la escala de Planck y las correcciones de mayor orden podrían ser importantes. Quizás sea por puro azar, o quizás haya algo profundo oculto, pero las masas del Higgs y del quark top parecen ajustadas en un punto crítico doble en relación a la estabilidad del vacío. Nos lo contó Pier Paolo Giardino (Univ. Pisa / INFN Pisa), «Is that a Standard Higgs? And now?,» CP³ Origins, slides pdf / video flash. Su artículo técnico es Dario Buttazzo, Giuseppe Degrassi, Pier Paolo Giardino, Gian F. Giudice, Filippo Sala, Alberto Salvio, Alessandro Strumia, «Investigating the near-criticality of the Higgs boson,» arXiv:1307.3536 [hep-ph].

El campo de Higgs, el inflatón, la energía oscura y los monopolos magnéticos

Para algunos el descubrimiento del bosón de Higgs ha sido un jarro de agua fría, para otros una diversión sin límite. Como es una partícula escalar (de espín cero) y se han propuesto campos escalares como solución a muchos de los problemas actuales (energía oscura, materia oscura, etc.), extender la física del campo de Higgs para que se comporte en cierto régimen como uno de esos campos es fácil y además se publica fácil en muchas revistas. Por ello, muchos medios publican noticias que afirman que el bosón de Higgs puede explicar la energía oscura, la materia oscura, la inflación cósmica, etc. Hay que tener cuidado con estas noticias. El bosón de Higgs está hasta en la sopa, pero se trata de ideas especulativas que extienden la física del campo de Higgs más allá de lo que está demostrado y los autores de estos trabajos no estudian todas las consecuencias de sus teorías, por lo que en muchos casos contradicen la física conocida (al centrarse en explicar cierto fenómeno, olvidan que su idea tiene consecuencias en otros fenómenos en apariencia alejados). Permíteme poner unos ejemplos de actualidad.

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

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:1305.4033, 17 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.

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

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.

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

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 Σm_ν < 0,15 eV (al 95% C.L.); combinando Planck+BAO+WiggleZ+HST se obtiene Σm_ν < 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 N_eff = 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 Σm_ν < 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 Σm_ν > 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.