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

Dibujo20130723 e-mode pol left and b-mode pol right measured with Sptpol at 150 ghz

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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Planck 2013 (XXVIII): El catálogo de Planck de fuentes puntuales de microondas

Dibujo20130627 Polaris field at 857 GHZ observed by Planck and Herschel

En el año 2011 se publicó un catálogo de unas 15.000 fuentes puntuales y/o compactas de microondas observadas por el telescopio espacial Planck tras 9 meses de observación. El nuevo catálogo publicado en 2013, llamado PCCS por Planck Catalogue of Compact Sources, tras 15 meses de observación, contiene unas 25.000 fuentes (24.381 en la banda de 857 GHz). Como muestra esta figura (para la banda de 857 GHz), la resolución espacial de Planck es menor que la de Herschel, pero aún así permite una identificación fiable de estas fuentes puntuales, que se pueden calificar como ruido o contaminación a la hora de estudiar la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB). El catálogo PCCS cubre el rango de frecuencias de 30 a 857 GHz y presenta 25 parámetros asociados a cada fuente. El nuevo artículo técnico es Planck Collaboration, “Planck 2013 results. XXVIII. The Planck Catalogue of Compact Sources,” Astronomy & Astrophysics manuscript, Mar 22, 2013 [arXiv:1303.5088]; el anterior artículo es Planck Collaboration, “Planck early results. VII. The Early Release Compact Source Catalogue,” A&A 536: A7 (2011).

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

dibujo20130619-shapley-super-cluster-as-seen-in-the-planck-survey1

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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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)

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

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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La inflación cósmica

La inflación cósmica fue introducida hace 30 años por Alan H. Guth (entonces postdoc en el SLAC, Stanford Linear Accelerator Center). Una hiperaceleración brevísima de la expansión del universo en los primeros instantes de la gran explosión (big bang). La inflación forma parte del modelo cosmológico de consenso, aunque muchos teóricos, el más famoso es Roger Penrose, dudan de ella. ¿Se puede verificar encontrar evidencias [pruebas indiscutibles] de la inflación cósmica de forma experimental?

Muchos cosmólogos creen que el satélite Planck de la ESA será capaz de observar señales de la inflación en su estudio del fondo cósmico de microondas. Estas señales permitirán demostrar si la inflación realmente ha existido y cuáles han sido sus características. Los llamados modos B que se supone que podrán ser observados por Planck, aunque su debilidad extrema podría complicar su deteccióin, mostrarán trazas de las ondas gravitatorias producidas durante la inflación; gracias a estas ondas se podrán descubrir los detalles del potencial de energía responsable de la dinámica del inflatón, el campo o partícula responsable de la inflación cósmica.

A principios de 2013, en enero se cumplen los 3 años y medio del lanzamiento, se espera la publicación de los primeros resultados de Planck sobre el fondo cósmico de microondas, muchos estaremos expectantes. Nos lo ha contado Paul J. Steinhardt, “The Inflation Debate. Is the theory at the heart of modern cosmology deeply flawed?,” Scientific American, April 2011 [aparecerá en español en Investigación y Ciencia en el número de junio de 2011]. Permitidme un breve resumen para ir abriendo boca.

La teoría de la gran explosión asume que el universo inició la flecha del tiempo y la expansión cósmica hace 13 700 millones de años. El universo es más grande de lo necesario para explicar por qué es tan homogéneo y tan isótropo a grandes escalas. La inflación cósmica es la explicación más sencilla: las inhomogenidades y las anisotropías en los primeros instantes de la gran explosión serían aplanadas por la hiperexpansión del espacio durante la inflación dejando un universo primitivo tan homogéneo e isótropo como el que conocemos hoy en día. La inflación cósmica aparece en todos los libros de texto aunque en la actualidad es una teoría sin verificación el apoyo de evidencia experimental específica. Más aún, tampoco conocemos qué energía inflacionaria (el campo cuántico llamado inflatón) que antigravita es su responsable; para el campo inflacionario la gravedad debe ser repulsiva en lugar de atractiva. El inflatón es un campo escalar (un partícula escalar) como el campo de Higgs (como la partícula de Higgs) responsable de un incremento en el tamaño del universo de 25 órdenes de magnitud (× 1025) durante una millonésima de billonésima de billonésima de segundo (10–30 s). Un crecimiento tan rápido y tan grande del radio del universo resulta en un universo plano, homogéneo e isótropo similar al obervado en la actualidad.

Los detalles de la inflación cósmica dependen del potencial de autointeracción del inflatón. La forma exacta de este potencial conduce a diferentes tipos de inflación que se diferencian en el tamaño de las pequeñas inhomogeneidades y anisotropías que permanecen tras la inflación y que más tarde dan lugar a la formación de las primeras galaxias. En los modelos más sencillos para el inflatón se introduce un parámetro que, grosso modo, tiene que tener un valor adecuado para que la inflación sea “buena” (compatible con la distribución a grandes escalas de la materia en el universo). Si el parámetro es demasiado pequeño o demasiado grande la inflación es “mala” y puede ser descartada. El ajuste fino de este parámetro requiere un error menor de 15 dígitos decimales, como mostró Roger Penrose a finales de los 1980. Este ajuste fino de la inflación ha llevado a muchos cosmólogos a recurrir al principio antrópico como explicación.

Un problema adicional de la inflación, descubierto en 2008 por Gary W. Gibbons (Universidad de Cambridge) y Neil G. Turok (Perimeter Institute for Theoretical Physics, en Ontario) es la inflación eterna. En la gran explosión lo más “natural” es que hayan surgido infinidad de universos burbuja, cada uno con sus propias leyes físicas, siendo el nuestro uno entre dicha infinidad. Estudiando la probabilidad de que aparezca un universo como el nuestro en el multiverso resulta que esta probabilidad es muy baja. Finalmente, el último gran problema de la inflación es la determinación del momento en el que para. Si para o después no tendríamos un universo como el que observamos, pero la probabilidad de que el campo del inflatón pare la inflación en el momento adecuado para lograr un universo plano como el observado resulta un número muy pequeño.

En resumen, la inflación es una idea maravillosa para explicar el universo, pero el diablo está en los detalles. El año que viene se publicarán los primeros datos sobre el fondo cósmico de microondas del satélite Planck. Aportarán información muy relevante sobre los detalles de la inflación. Habrá modelos que sobrevivan y otros tendrán que ser descartados. La ciencia es apasionante.

PS (nota histórica): La inflación cósmica fue propuesta por Starobinsky en 1979, Guth en 1981, Sato en 1981, Linde en 1982 y muchos otros.

PS (resultados de WMAP 7): La inflación predice una distribución estadística casi gaussiana para las fluctuaciones primordiales que se observan en el fondo cósmico de microondas. Aunque se ha dicho que WMAP 7 ha encontrado ciertas señales (en concreto los multipolos altos están algo reforzados comparados con los bajos) que han sido interpretadas como una prueba de la inflación, todavía es pronto para poder afirmar que la inflación está demostrada experimentalmente fuera de toda duda (aunque la mayoría de los físicos teóricos, yo incluido, creemos que es la teoría correcta). Esta figura está extraída de Komatsu, E., et.al., “Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Interpretation,” ApJS, 192, 18 (2011) [ApJ / preprint / astro-ph]. Sin embargo, la prueba definitiva será la observación de ondas gravitatorias producto de la inflación. Si queremos ser rigurosos, los datos de WMAP 7 son compatibles con la inflación, pero no demuestran la inflación (aunque Hawking, Zel’dovich y muchos otros hayan afirmado sí lo demuestran fuera de toda duda).

PS: He cambiado “verificación experimental” por “evidencia experimental,” es decir, por pruebas fuera de toda duda. Hoy en día los hechos experimentales que llevaron a la propuesta de la teoría de la inflación son los únicos que la apoyan. Hay pruebas que podrían estar en contra de la teoría y no lo están (como las de WMAP 7) pero no hay pruebas indiscutibles que permitan discernir entre la inflación y otras teorías que también explican los hechos experimentales que la apoyan.

PS (3 junio 2012): Los que tengan acceso disfrutarán con el interesante artículo de Amanda Gefter, “Bang goes the theory,” New Scientist, 30 june 2012. “El gran problema de la inflación es que una vez que empieza no puede parar, con lo que tras el Big Bang se forman infinidad de “universos” o lo que muchos llaman un “multiverso” inflacionario. Esto es un problema porque resta valor predictivo a la inflación (predecirlo todo es lo mismo que no predecir nada).”

El artículo propone como más razonable una reinterpretación del Big Bang de mano de la teoría de cuerdas, como dos branas que colisionan. Ciertos cálculos recientes apuntan a que este modelo tiene las mismas consecuencias que la inflación, por lo que predice una “inflación aparente” y un “Big Bang aparente.” Una propuesta sugerente aunque todavía muy alejada de lo medible de forma experimental.