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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La gélida materia oscura del universo o lo inmensamente grande y lo infinitamente pequeño

dibujo20081207gaiaesaLa mayor parte de la materia del universo es materia oscura. Es oscura porque no interactúa con la fuerza electromagnética, por lo que parece transparente. Sabemos, o creemos saber, que existe, pues no ha sido detectada de forma directa aún (el famoso “si no lo veo, no lo creo”). Creemos saber que existe por sus efectos gravitatorios sobre la materia visible ordinaria (bariónica). Quizás el LHC (Large Hadron Collider) del CERN detecte este tipo de materia. O quizás no. ¿Qué se puede saber sobre ella usando la Astronomía? Gerard Gilmore, “How Cold Is Cold Dark Matter?,” Science, 322, 1476, 5 December 2008 , trata de dar respuesta a esta pregunta.

¿Cómo influye la materia oscura en la evolución de las estructuras del universo a pequeña y gran escala? Si lo supiéramos en detalle podríamos diferenciar entre los múltiples candidatos a materia oscura que han sido propuestos.

A gran escala en el universo tenemos que recurrir a los datos del fondo de microondas obtenidos por el WMAP, que nos indican cómo era el universo cuando contaba sólo unos 300 mil años tras la Gran Explosión. La materia oscura caliente (partículas de pequeña masa que se mueven a velocidades ultrarrelativistas) y la materia oscura fría (partículas de gran masa que se mueven a velocidades no relativistas) generarían una distribución de “grumos” a diferente escala. La comparación entre simulaciones numéricas y los datos experimentales del WMAP muestra que la materia oscura contiene cierta contribución caliente (neutrinos masivos), ondas gravitatorias, y radiación, aunque la componente dominante es materia oscura fría (posiblemente algún nuevo tipo de partícula aún desconocido). 

A pequeña escala en el universo, la escala de las galaxias, nos tenemos que limitar a nuestro Grupo Local de galaxias, al que pertenece nuestra Vía Láctea. Los datos observacionales más recientes indican que el número de galaxias satélite enanas (en concreto alrededor de la Vía Láctea) es mucho mayor del que se pensaba. La formación de estas galaxias enanas, en los primeros mil millones de años de historia del universo, estaba dominada por la materia oscura. El número de estas galaxias satélite es mucho mayor de lo que se pensaba y sus estructuras luminosas tienen un tamaño de mínimo de unos 300 años luz. Esta última característica depende del tipo de materia oscura considerada. Sin embargo, todavía los datos no son lo suficientemente exactos como para discriminar sus propiedades más importantes. La materia oscura es clave para entender la dinámica galáctica y esta última para entender muchas de las propiedades de la primera.

La misión de la Agencia Espacial Europea (ESA) llamada Gaia, que se lanzará en 2011, medirá de forma muy precisa las distancias absolutas y las velocidades transversales de más de mil millones de estrellas con una magnitud inferior a 20. Estas medidas de paralaje permitirán identificar gran número de las propiedades de la materia oscura en nuestro entorno cercano. 

La materia oscura es un buen ejemplo de cómo la astrofísica y la física de partículas elementales se dan la mano. Lo inmensamente grande y lo infinitamente pequeño. Maravillas de la física moderna.

Estimación de la materia oscura en el interior del sistema Tierra-Luna

Los datos cosmológicos actuales parecen indicar que el 23% del universo es materia oscura (el 72% es energía oscura y el resto materia ordinaria). Nadie sabe lo que es la materia oscura, pero los datos del fondo de microondas más recientes del WMAP parecen indicar que está distribuida por todas partes (aunque en algunos sitios hay más y en otros menos). ¿Hay materia oscura en tu propio cuerpo? ¿Hay materia oscura en la Tierra? ¿Hay materia oscura en la Luna? ¿Cuánta materia oscura hay a nuestro alrededor?

Stephen L. Adler, investigador del Institute for Advanced Study, Princeton, Nueva Jersey, EEUU, ha obtenido un límite superior a la masa de la materia oscura que nos rodea en “Placing direct limits on the mass of earth-bound dark matter,” Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 41: 412002, 2008 [ArXiv preprint]. Para ello ha estimado la masa de la Tierra (incluyendo la materia oscura que pueda incluir) así como la masa dentro de la órbita de la Luna alrededor de la Tierra (básicamente usando los datos del satélite LAGEOS). Restando ambos valores estima que la masa de la materia oscura contenida en la órbita de la Luna es menor que 4 milmillonésimas de la masa de la Tierra, es decir, menor que 1500 billones de kilogramos. 

El artículo acaba con una nota en la que se afirma que Gary Gibbons propone una explicación alternativa a los datos obtenidos por LAGEOS. Si no hay materia oscura en el sistema Tierra-Luna, los datos del satélite LAGEOS pueden interpretarse como un límite para las posibles variaciones de la “constante” de gravitación universal de Newton (efectos no newtonianos en la gravedad). La constante de graviatación universal cambia menos de 40 millonésimas por ciento entre el radio de la órbita del satélite LAGEOS y la órbita de la Luna.

Nueva confirmación de la existencia de la energía oscura en el Universo (o un “hasta luego” para “nuestro” vacío cósmico local)

Sección transversal del Universo, con la Tierra en el centro de un gran vacío (azul). El vacío causaría una distorsión visible en el fondo cósmico de microondas. (c) Physical Review Letters, 2008.

En una entrada anterior ya comentamos que la “segunda” inflación, la expansión acelerada actual del universo, podría ser un artefacto de las medidas de distancias basadas en supernovas tipo Ia (ver entrada). Podría existir un “agujero” vacío a nuestro alrededor que falsearía las medidas. De existir ese agujero el principio cosmológico de la isotropía y homogeneidad del universo a escala cosmológica no sería válido a nuestro alrededor. Para verificar o refutar esta hipótesis la única vía posible es la experimental. En esta línea se acaba de publicar R. R. Caldwell and A. Stebbins, “A Test of the Copernican Principle,” Phys. Rev. Lett. 100, 191302 ( 2008 ), ArXiv preprint.

¿Ocupa la Tierra, o mejor, la Vía Láctea un lugar privilegiado en el Universo? ¿Podrían estar en el centro de un gran vacío de tamaño cosmológico, del orden de 1 gigapársec? [Recuerda la Vía Láctea tiene un diámetro menor de 10 kilopársec]. En su caso, la radiación de fondo de microondas (CMB) se vería alterada de tal forma que creeríamos que nos encontramos en un universo cuya expansión está acelerándose. Pero también dejaría otras marcas ques nos permitirían comprobar si realmente dicho vacío existe. El artículo de Caldwell-Stebbins, basado en los resultados del CMB de la sonda WMAP, excluyen la presencia de tal vacío (con radios hasta 5 gigaparsec), confirmando las ideas sobre el universo en expansión acelerada con un fuerte contenido en energía oscura.

La energía oscura ha vuelto a vencer. De todas formas, habrá que esperar a la sonda Planck para confirmar o refutar definitivamente la presencia de vacíos cósmicos como explicación del fenómeno de la energía oscura.