La tensión entre KiDS-450 y Planck sobre la materia oscura

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Habrás leído que el sondeo galáctico KiDS-450 (telescopio de rastreo del VLT de ESO, Chile) cuestiona los datos del telescopio espacial Planck de la ESA sobre la materia oscura. KiDS-450 afirma que la materia oscura podría ser más uniforme (o menos grumosa). La discrepancia es de solo 2,3 sigmas. Además, coincide con la ya observada entre WMAP+ACT+SPT y Planck. Quizás pienses que debemos dudar de nuestro conocimiento sobre la materia oscura. Tranquilo, no es para tanto.

En concreto KiDS-450 ha obtenido Ωm = 0,25 ± 0,10 y σ8 = 0,85 ± 0,20, cuando Planck15 (TT,TE,EE+lowP) obtuvo Ωm = 0,315 ± 0,013 y σ8 = 0,829 ± 0,014. Así el resultado para S8 ≡ σ8 (Ωm/0,3)1/2 = 0,745 ± 0,039 difiere a 2,3 sigmas del valor de Planck. Pero las comparaciones, aún siendo odiosas, no dejan lugar a dudas. Las estimaciones usando lentes gravitacionales débiles (KiDS-450) tienen una incertidumbre diez veces mayor que las basadas en el fondo cósmico de microondas (Planck15). Por tanto, si hay que confiar en un dato debe ser en el de Planck15. Fuera de toda duda.

El artículo es H. Hildebrandt, M. Viola, …, L. Van Waerbeke, “KiDS-450: Cosmological parameter constraints from tomographic weak gravitational lensing,” MNRAS (06 Dec 2016), doi: 10.1093/mnras/stw2805, arXiv:1606.05338 [astro-ph.CO]. Tus dudas, si aún las tienes, tendrán su origen en “La materia oscura podría ser más uniforme de lo que se pensaba”, ESO, 07 Dic 2016; “Un sondeo galáctico cuestiona la grumosidad de la materia oscura”, Agencia SINC, 07 Dic 2016; y en otras fuentes. No quiero que confíes en mí y desconfíes en ellos, sé siempre crítico con todo lo que leas.

This map of dark matter in the Universe was obtained from data from the KiDS survey, using the VLT Survey Telescope at ESO’s Paranal Observatory in Chile. It reveals an expansive web of dense (light) and empty (dark) regions. This image is one out of five patches of the sky observed by KiDS. Here the invisible dark matter is seen rendered in pink, covering an area of sky around 420 times the size of the full moon. This image reconstruction was made by analysing the light collected from over three million distant galaxies more than 6 billion light-years away. The observed galaxy images were warped by the gravitational pull of dark matter as the light travelled through the Universe. Some small dark regions, with sharp boundaries, appear in this image. They are the locations of bright stars and other nearby objects that get in the way of the observations of more distant galaxies and are hence masked out in these maps as no weak-lensing signal can be measured in these areas.
Mapa de la materia oscura obtenido por KiDS-450 uasndo el telescopio de rastreo VLT del Observatorio Paranal de la ESO en Chile. Muestra la web cósmica, con vacíos (regiones ocuras) y materia oscura (regiones coloreadas).

El sondeo KiDS (Kilo Degree Survey), realizado con el VST (VLT Survey Telescope) de ESO, en el Observatorio Paranal de Chile, estudia el efecto de lente gravitacional débil en la luz de unos quince millones de galaxias distantes debido a la web cósmica (distribución de la materia oscura a escala cosmológica). Se analizan unos 450 grados cuadrados de cielo, lo que mejora los resultados previos del CFHTLenS obtenido con 154 grados cuadrados de cielo por el telescopio de rastreo francocanadiense en Hawaii. Los resultados de KiDS y CFHTLenS son similares, estando en tensión con los datos basados en el fondo cósmico de microondas obtenidos por Planck.

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En física de partículas una discrepancia a 2,3 sigmas es una simple fluctuación estadística sin mayor interés (máxime cuando cambiando los datos a priori usados por KiDS-450 puede llegar a bajar a solo 1,7 sigmas). Sin embargo, en cosmología dicha discrepancia llama la atención de muchos medios, que están deseando publicar que la materia oscura, además de esquiva, es inexistente. Pero la determinación de su distribución detallada requiere telescopios espaciales específicos, como el futuro satélite Euclides. Por ahora los estudios realizados con telescopios terrestres tienen tal incertidumbre que no son comparables con los datos de Planck.

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Esta figura muestra los datos más recientes de ACTPol (más recientes que los usados en el estudio de KiDS-450) y son perfectamente compatibles con los datos de Planck. Comparar los resultados de Planck TT + BAO (naranja en la figura de la izquierda) con los datos de KiDS-450 (naranja en la figura de la derecha) no deja lugar a dudas. La figura está extraída del reciente artículo de Blake D. Sherwin, Alexander van Engelen, …, Edward J. Wollack, “The Atacama Cosmology Telescope: Two-Season ACTPol Lensing Power Spectrum,” arXiv:1611.09753 [astro-ph.CO] (29 Nov 2016).

En cualquier caso, te preguntarás, ¿cuál puede ser la causa de la discrepancia? CFHTLenS y KiDS usan aproximaciones que no requiere el análisis del fondo cósmico de microondas. Dichas aproximaciones podrían introducir errores sistemáticos. Efectos como la deformación cósmica (cosmic shear) de las elipticidades de las galaxias podrían ser importantes. Así lo indica un reciente trabajo de Licia Verde y varios colegas sobre los datos CFHTLenS; tras tener en cuenta este efecto su valor de σ8=0.789 +/- 0.015 pasa a ser σ8=0.839 +/- 0.017 perfectamente compatible con el valor σ8=0.830 +/- 0.015 de Planck. Más información en Thomas D. Kitching, Justin Alsing, …, Licia Verde, “The Limits of Cosmic Shear,” arXiv:1611.04954 [astro-ph.CO] (15 Nov 2016).

Aprender mejor qué es lo que estamos estudiando con los sondeos galácticos con lentes gravitacionales débiles como CFHTLenS y KiDS nos permitirá comparar mejor sus resultados con las observaciones del fondo cósmico de microondas. No es sólo mi opinión, así lo concluyen varios estudios, como, por ejemplo, Alexie Leauthaud, Shun Saito, …, Francisco Villaescusa-Navarro, “Lensing is Low: Cosmology, Galaxy Formation, or New Physics?” arXiv:1611.08606 [astro-ph.CO] (25 Nov 2016).

Por todo ello me reafirmo en mi convicción de que los datos de Planck 2015 son mucho más robustos y mucho más fiables que los obtenidos con telescopios terrestres. La materia oscura no es menos grumosa o más uniforme de lo que indica Planck 2015. Siempre ten mucho cuidado con lo que leas…

…incluso en este blog 😉

2 Comentarios

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AlbertAlbert

Gracias por tan interesante post. No sé que es “sigma 8″. En el paper que enlazas dice que es la “root mean square fluctuations in spheres with a radius of 8 Mpc” ¿Hay alguna explicación sencilla a nivel divulgación de lo que eso significa y de su importancia? Gracias, perdón por mi ignorancia, saludos.

Francisco R. Villatoro

Albert, gracias por preguntar. El modelo cosmológico ΛCDM tiene seis parámetros, a partir de ellos se derivan otros parámetros de interés cosmológico. El modelo de materia oscura fría (CDM) viene determinado por dos parámetros cosmológicos derivados, la tasa de expansión h = H_0/100 km/s/Mpc y el parámetro σ_8, un valor concreto del parámetro σ_ρ(M) que caracteriza la amplitud de las fluctuaciones de la masa dentro de una esfera de radio ρ cuya masa promedio es M; lo habitual es tomar ρ=8 Mpc, porque el modelo cosmológico determina que en promedio σ_8(8 /h Mpc)=1; esta escala está asociada a los cúmulos galácticos ricos en masa. La existencia de la web cósmica (grandes vacíos) provoca que σ_8 < 1, caracterizando dicho parámetro la distribución promedio de la materia oscura en la web cósmica (es decir, en el universo ).

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