Francis en @TrendingCiencia: El flujo oscuro y el multiverso

Dibujo20131110 Galaxy clusters like 1E 0657-56 seem to be drifting toward a 20-degree-wide patch of sky -ellipse- between the constellations of Centaurus and Vela NASA WMAP

Mi nuevo podcast sobre física para Trending Ciencia lo puedes escuchar siguiendo este enlace. He elegido como tema una especulación científica motivada por ciertos datos cosmológicos, la existencia del flujo oscuro y su origen en la idea del multiverso. El físico español Fernando Atrio-Barandela, profesor de la Universidad de Salamanca, y varios colegas reivindican que el flujo oscuro existe, aunque los datos del telescopio espacial Planck sobre el fondo cósmico de microondas no son concluyentes. Y la física teórica Laura Mersini-Houghton, de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, opina que el flujo oscuro es una señal clara de la existencia de otros universos que interaccionan de forma cuántica con el nuestro en el marco del multiverso. La controversia está servida. Pero, ¿qué es el flujo oscuro?

La idea de esta podcast me la ha dado la lectura de los artículos de José Manuel Nieves, “¿La primera prueba de que existen universos paralelos?,” ABC, 04 Nov 2013, y “¿Existe la ‘puerta’ hacia el multiuniverso?,” RT Actualidad, 03 Abr 2013.

En septiembre de 2008, científicos de la colaboración del telescopio espacial WMAP de la NASA, estudiaron el movimiento de unos 700 cúmulos de galaxias (las manchas blancas en la imagen de arriba) y para su sorpresa encontraron que su movimiento parecía apuntar a una cierta región del cielo (la elipse morada en la figura) de unos 20 grados de cielo entre las constelaciones de Centauro y Vela. Llamaron “flujo oscuro” a este inexplicable movimiento, en analogía con la energía oscura y la materia oscura, pues todos los cúmulos se dirigen hacia una región en la que no existe ningún exceso de masa que pueda justificar que este flujo sea debido a la atracción gravitatoria de la materia de nuestro universo. La hipótesis de Alexander Kashlinsky, investigador en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, el español Fernando Atrio-Barandela, profesor de la Universidad de Salamanca, Harald Ebeling, de la Universidad de Hawai y Dale Kocevski, actualmente en la Universidad de California en Davis, es que la fuente del flujo oscuro es alguna anisotropía en la distribución de materia en el universo producida durante la inflación cósmica, que de alguna forma desplazó una gran cantidad de materia fuera del horizonte del universo, es decir, fuera del universo visible.

Los artículos técnicos son A. Kashlinsky, F. Atrio-Barandela, D. Kocevski, H. Ebeling, “A measurement of large-scale peculiar velocities of clusters of galaxies: technical details,” Astrophysics Journal 691:1479-1493, 2009 (arXiv:0809.3733 [astro-ph]). A. Kashlinsky, F. Atrio-Barandela, D. Kocevski, H. Ebeling, “A measurement of large-scale peculiar velocities of clusters of galaxies: results and cosmological implications,” Astrophysics Journal 686: L49-L52, 2009 (arXiv:0809.3734 [astro-ph]).

El flujo oscuro se observó en el fondo cósmico de microondas, la radiación emitida cuando el universo tenía 380.000 años de edad durante la recombinación, la formación de los primeros átomos, cuando le universo pasó de ser opaco a ser transparente para los fotones. Los cúmulos galácticos se pueden estudiar en el fondo cósmico de microondas gracias al efecto cinemático de Sunyaev-Zel’dovich, una pequeña corrección al efecto térmico de Sunyaev-Zel’dovich. El análisis de 2008 utilizó los datos de WMAP tras 3 años de observación. A finales del año 2010 se volvió a repetir el análisis con los datos de WMAP tras 5 y 7 años de observación, confirmado los resultados preliminares sobre el flujo oscuro, pero ampliando la escala de movimiento a un volumen ocho veces mayor que el resultado original. Con los nuevos datos los cúmulos de galaxias se movían a una velocidad de unos 1000 Km/s en una dirección entre las constelaciones de Hydra y Centauro.

A. Kashlinsky, F. Atrio-Barandela, H. Ebeling, “Measuring the dark flow with public X-ray cluster data,” The Astrophysical Journal 732: 1, 2011 (arXiv:1012.3214 [astro-ph.CO]).

Dibujo20131110 dark flow galaxy clusters and flow direction by distance - wmap nasa

El flujo oscuro generó mucha controversia y se produjo un gran debate al respecto pues contradecía la hipótesis de homogeneidad e isotropía el modelo cosmológico de consenso. A finales de 2011, el flujo oscuro recibió un importante revés con el trabajo que Richard Watkins, profesor en la Universidad de Willamette en Salem, Oregón, y varios colegas publicaron en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Midieron el movimiento relativo de las galaxias usando el catálogo de supernovas de Tipo 1a, que permite medir con precisión la distancia y la velocidad de las galaxias en las que se encuentran estas supernovas. Watkins y su equipo observaron que las galaxias se mueven en la misma dirección que el flujo oscuro pero con velocidades mucho más bajas, del orden de unos 450 km/s, y, además, este movimiento sólo se observó a distancias cercanas (desplazamientos al rojo de hasta z ~ 0,2), no en todo el universo visible. Por tanto, este movimiento no estaría en contradicción con los modelos cosmológicos, que son compatibles con la existencia de conjuntos de galaxias que fluyen en la misma dirección, siempre y cuando la mayor parte de su movimiento sea aleatorio. Lo importante del nuevo trabajo es que los datos de supernovas permiten una medida mucho más precisa que el análisis del cinemático de Sunyaev-Zel’dovich en el fondo cósmico de microondas. Por supuesto, los defensores del flujo oscuro no quedaron convencidos del todo con el nuevo estudio afirmando que incluso si su estudio sobrestimó la velocidad del flujo oscuro y haya que considerar una velocidad un 30% menor, el nuevo estudio no invalida la existencia de dicho flujo oscuro. Pero, ¿qué dicen los datos de marzo de 2013 del telescopio espacial Planck de la ESA sobre el flujo oscuro?

El artículo técnico es E. Macaulay et al., “Power spectrum estimation from peculiar velocity catalogues,” MNRAS 425: 1709-1717, 2012 (arXiv:1111.3338 [astro-ph.CO]).

La mayoría de los expertos estaban esperando a la publicación de los datos del telescopio espacial Planck de la ESA sobre el fondo cósmico de microondas en marzo de 2013. El español Fernando Atrio-Barandela, de la Universidad de Salamanca, es miembro de la Colaboración Planck y ha participado en este estudio. El análisis oficial de los datos de Planck muestra el flujo oscuro, igual que los datos WMAP, pero la amplitud de dicho flujo tiene asignada una gran incertidumbre experimental, por lo que la versión oficial de la colaboración Planck, publicada en su artículo número XIII, es que se trata de una fluctuación estadística en los datos, es decir, la señal observada no es una señal estadísticamente significativa. Sin embargo, Fernando Atrio-Barandela no está de acuerdo con este resultado oficial y afirma que la colaboración Planck ha sobreestimado los errores sistemáticos en su análisis. Mediante un nuevo método de análisis cree que es capaz de reducir mucho los errores sistemáticos y el resultado que obtiene es coherente con los resultados de WMAP. Por supuesto, habrá que esperar a la publicación de los nuevos datos de Planck en junio de 2014 para confirmar o desmentir este resultado. Seguro que te preguntarás, ¿y qué tiene todo esto que ver con el multiverso?

Los artículos técnicos son Planck Collaboration, “Planck 2013 results,XIII. Galactic CO emission,” arXiv:1303.5073 [astro-ph.GA], 25 Mar 2013, y F. Atrio-Barandela, “On the Statistical Significance of the Bulk Flow Measured by the PLANCK Satellite,” arXiv:1303.6614 [astro-ph.CO], 9 Aug 2013.

Dibujo20131110 multiverse - artist work

Laura Mersini-Houghton, física teórica en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, y Richard Holman, profesor en la Universidad Carnegie Mellon, publicaron en 2009 en la revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics una explicación alternativa. En su artículo especularon que la fuente del flujo oscuro podría ser la interacción gravitatoria entre nuestro universo y otro universo, formando ambos parte del multiverso que fue resultado de la inflación cósmica. El flujo oscuro podría ser una señal de la física preinflacionaria y una ventana hacia el multiverso. Palabras mayores que han generado mucha controversia entre los expertos. Sin entrar en los detalles técnicos de su idea, la propuesta considera que la función de onda de cada universo del multiverso puede comportarse como cualquier sistema cuántico y puede entrelazarse con otras funciones de onda de otros universos. Su propuesta predice en otros efectos la existencia del flujo oscuro inducido por las inhomogeneidades no inflacionarias en el superhorizonte del universo.

El artículo técnico es L. Mersini-Houghton, R. Holman, ““Tilting´´ the universe with the landscape multiverse: the dark flow,” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, JCAP02(2009)006, 2009 (arXiv:0810.5388 [hep-th]). Recomiendo leer a Maggie McKee, “Planck map shows no hint of sister universe tugging on ours,” New Scientist 218: 13, 6 Apr 2013. En español recomiendo José Manuel Fuentes, “¿La primera prueba de que existen universos paralelos?,” ABC, 04 Nov 2013.

La Doctora Mersini-Houghton cree que el flujo oscuro demuestra su especulación, sin embargo, la controversia asociada al flujo oscuro nos obliga a ser cautos. La opinión de la mayoría de los cosmológos es que se trata de una especulación científica y que las anomalías que dan lugar al flujo oscuro son fluctuaciones estadísticas que desaparecerán con los datos que publique el año próximo el telescopio espacial Planck de la ESA. Pero hasta junio 2014, la duda persistirá.

Coda final. Este podcast y esta entrada participan en la edición XLVI del Carnaval de Física organizado por el blog padre de la idea de los carnavales de física, Gravedad Cero.


5 Comentarios

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Maria del MarMaria del Mar

Muchas gracias Francis. Sigues esclareciendo lo oscuro de forma magistral. Muchas gracias de nuevo por tu generosidad. Te deseo lo mejor en esta nueva andadura por Naukas.

Carlos RíosCarlos Ríos

Hola! Sabes qué fue de los datos actuales del Max Planck? Refutaron al flujo oscuro?
Gracias por la información.

Francisco R. Villatoro

Carlos, que yo sepa, todavía no se ha publicado un análisis específico. Fernando Atrio impartirá una charla el 19 Mar 2015 sobre el tema (su nuevo análisis del flujo oscuro con los datos de Planck 2015). Por lo que anuncia, parece que hay indicios similares a los de WMAP9. Pero no puedo aclarar nada más hasta que se publique su artículo.

Francisco R. Villatoro

Mario, no hay novedades, ni puede haberlas. Planck no puede decir más que lo que ya ha dicho. Necesitamos nuevos telescopios que estudien los multipolos bajos (entre l=10 y l=30) con mayor precisión que Planck (cuya objetivo es estudiar los multipolos entre l=50 y l=2000). Habrá que esperar una década, como mínimo. Hasta entonces no puede haber novedades.

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