Un supervacío no causa la mancha fría en el fondo cósmico de microondas

Dibujo20170504 CMB Cold Spot royal astronomical society

La mancha fría en el fondo cósmico de microondas es una fluctuación estadística primordial sin mayor relevancia. Sin embargo, imaginemos que no lo es y que requiere una explicación. El año pasado se publicó un análisis de unas 73 000 galaxias que apuntaba a un supervacío cósmico a z=0.14. Los mismos autores publican ahora un análisis espectroscópico de unas 7 000 galaxias que afirma que dicho supervacío no puede ser la única explicación. El nuevo estudio es mucho más preciso, aunque tiene menor estadística. Se han observado supervacíos a z=0.14, 0.26 y 0.30 que podrían explicar al menos el 20% de la mancha fría; el resto podría tener su origen en posibles supervacíos más lejanos (hay indicios pobres de un cuarto a z = 0.42), acompañados de una fluctuación estadística primordial.

Muchos medios han afirmado que, si un supervacío no es la única causa de la mancha fría, entonces se trata de la primera prueba del multiverso. El resultado de una colisión entre universos burbuja de origen inflacionario. Olvida esta especulación y recuerda que afirmaciones extraordinarias requieren evidencias extraordinarias. El nuevo estudio descarta un supervacío como única causa, aunque no descarta que los supervacíos observados formen parte de un supervacío mayor. Más aún, se estima que la hipótesis de que la mancha fría no sea una fluctuación estadística alcanza entre 2 y 2,5 sigmas; esta confianza estadística ha sido obtenida gracias a simulaciones por ordenador que indican que entre el 1% y el 2% (según los detalles) de los modelos teóricos del fondo cósmico de microondas presentan manchas frías comparables a la observada por el telescopio espacial Planck de la ESA. Menos de tres sigmas es muy poca significación para que sea razonable hablar de multiversos.

El nuevo artículo es Ruari Mackenzie, Tom Shanks, …, Istvan Szapudi, “Evidence against a supervoid causing the CMB Cold Spot,” arXiv:1704.03814 [astro-ph.CO]. El artículo con 73 100 galaxias es de los mismos autores István Szapudi, András Kovács, …, Richard Wainscoat, “Detection of a Supervoid Aligned with the Cold Spot of the Cosmic Microwave Background,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 450: 288-294 (2015), doi: 10.1093/mnras/stv488, arXiv:1405.1566 [astro-ph.CO]. Un estudio de supervacíos basado en unas 777 000 galaxias es Seshadri Nadathur, Robert Crittenden, “A detection of the integrated Sachs-Wolfe imprint of cosmic superstructures using a matched-filter approach,” Astrophys. J. 830: L19 (2016), doi: 10.3847/2041-8205/830/1/L19, arXiv:1608.08638 [astro-ph.CO].

La mancha fría fue descubierta analizando los datos de WMAP-1 en P. Vielva, E. Martinez-Gonzalez, …, L. Cayon, “Detection of non-Gaussianity in the WMAP 1-year data using spherical wavelets,” Astrophys. J. 609: 22-34 (2004), doi: 10.1086/421007, arXiv:astro-ph/0310273. Los últimos datos de Planck sobre la mancha fría los tienes en Planck Collaboration, “Planck 2015 results. XVI. Isotropy and statistics of the CMB,” Astronomy & Astrophysics 594: A16 (2016), doi: 10.1051/0004-6361/201526681, arXiv:1506.07135 [astro-ph.CO].

En este blog puedes leer “¿Explica un supervacío la mancha fría en el fondo cósmico de microondas?”, LCMF 29 Jul 2014; “Un supervacío explicaría la gran mancha fría en el fondo cósmico de microondas”, LCMF 20 Abr 2015; y “Más indicios de que la Gran Mancha Fría es debida a un supervacío”, LCMF, 14 Oct 2016.

Dibujo20170504 2cz survey geometry planck smica map cmb cold spot arxiv 1704 03814

El universo está lleno de grandes vacíos (regiones con una densidad de materia inferior a la media), así como grandes filamentos y paredes de dominio entre ellos (regiones con una densidad de materia superior a la media). Estos grandes vacíos afectan a cómo vemos los fotones del fondo cósmico de microondas en un espaciotiempo acelerado (con energía oscura), el llamado efecto Sach–Wolfe integrado (ISW por Integrated Sachs-Wolfe).

La mancha fría fue descubierta por el español Patricio Vielva (Instituto de Física de Cantabria) y varios colegas en 2003. Usaron una técnica basada en ondículas (wavelets) [LCMF, 03 Abr 2017] que se aplicó a datos del primer año del telescopio espacial WMAP de la NASA (el mapa WMAP-1); se siguió observando en los sucesivos mapas (WMAP-3, WMAP-5, WMAP-7 y el último WMAP-9). También se observó en los mapas del telescopio espacial Planck de la ESA (tanto en el de 2013 como en el de 2015). La mancha fría tiene un radio de unos 5º en el cielo del Hemisferio Sur y corresponde a una fluctuación térmica de unos −150 µK (la mayor de todo el cielo).

Dibujo20170504 Cold Spot and best-fit void model arxiv 1704 03814

Se han analizado las galaxias en 22 círculos de 9 grados cuadrados dando lugar a la distribución de desplazamiento al rojo n(z) y de densidad de masa δm mostradas en las figuras izquierda y derecha, resp. En la figura izquierda se compara dicho resultado, en curva negra marcada como Cold Spot, con la estimación para una banda de 60 grados cuadrados más allá de la mancha fría, en curva punteada marcada como GAMA Mean y con su valor medio según un modelo teórico (curva azul celeste). En la figura derecha se observa el vacío local (Local Hole) para 0 < z < 0.06, separado por una sobredensidad de un 40% a z =0.06.

Se observan cuatro supervacíos adicionales indicados con flechas azules. El primero a z = 0.14±0.007, con una anchura de unos 119 ± 35 Mpc/h, el segundo a z = 0.26 ± 0.004 con una anchura de 50 ± 13 Mpc/h, y el tercero a z = 0.30 ± 0.004 con 59 ± 17 Mpc/h. El cuarto vacío en z = 0.42 ± 0.008 es más ancho, unos 168 ± 33 Mpc/h; sin embargo, los datos a esta distancia son bastante imprecisos y este cuarto vacío no está confirmado.

Dibujo20170504 gama g23 and best-fit void model arxiv 1704 03814

La figura izquierda compara los vacíos en los 22 círculos de 9 grados cuadrados en la mancha fría (curva negra marcada como Cold Spot) con 23 círculos del mismo tamaño en una región alejada de ella dentro de la banda GAMA (curva naranja marcada con GAMA G23) y la predicción del modelo para toda la banda GAMA (curva azul celeste). La figura derecha muestra los supervacíos en la región GAMA G23, marcados con flechas azules, y las superdensidades en dicha región, marcadas con flechas rojas. Los supervacíos están a z= 0.15, 0.28, 0.35 y 0.43, mientras las superdensidades están en z = 0.21 y 0.42. Como puedes comprobar los supervacíos son muy habituales en el universo que nos rodea, no siempre estando asociados a manchas frías en el fondo cósmico de microondas.

Dibujo20170504 2CSz compared to PanSTARRS and fitted models arxiv 1704 03814

El año pasado fue noticia que un supervacío explica la mancha fría. Resume muy bien las pruebas de ello el trabajo de András Kovács, Juan García-Bellido, “Cosmic troublemakers: the Cold Spot, the Eridanus Supervoid, and the Great Walls,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 462: 1882-1893 (2016), doi: 10.1093/mnras/stw1752, arXiv:1511.09008 [astro-ph.CO] (también A. Marcos-Caballero, R. Fernández-Cobos, …, P. Vielva, “On the void explanation of the Cold Spot,” Mon. Not. R. Astron. Soc. Lett. 460: L15-L19 (2016), doi: 10.1093/mnrasl/slw063, arXiv:1510.09076 [astro-ph.CO]). En dichos estudios se estima la existencia de un supervacío entre z = 0 y z = 0.3 con una anchura de unos 500 Mpc/h (curva azul a trazos en la figura). Más que suficiente para explicar la mancha fría. Sin embargo, el resultado del nuevo estudio, que se aproxima por la curva roja mostrada en la figura, descarta un supervacío tan ancho.

Si un vacío no explica la mancha fría, varios vacíos podrían hacerlo (Krishna Naidoo, Aurélien Benoit-Lévy, Ofer Lahav, “Could multiple voids explain the cosmic microwave background Cold Spot anomaly?” Mon. Not. R. Astron. Soc. Lett. 459: L71-L75 (2016), doi: 10.1093/mnrasl/slw043, arXiv:1512.02694 [astro-ph.CO]). Esta hipótesis también se descarta con los datos del nuevo estudio. Los tres vacíos por debajo de z = 0.4 y el posible vacío entre z = 0.42, tampoco son suficientes para explicar la mancha fría en su totalidad. Podría haber vacíos entre z = 0.5 y z = 1.0 (ya que más allá de z = 1.0 no producen el efecto ISW), pero serán necesarios futuros estudios para clarificar la situación. Aún así, no parece que vayan a explicar la mancha fría en su totalidad.

En resumen, una fluctuación estadística a menos de tres sigmas no requiere mayor explicación. Pero si queremos explicar la mancha fría usando supervacíos, todo indica que son insuficientes para explicarla, aunque podrían contribuir a ella entre un 20% y un 40% gracias al efecto ISW. El resto (una fluctuación a menos de dos sigmas) seguiría siendo una fluctuación estadística que no requiere mayor explicación. Lo único reseñable de este asunto es que una y otra vez se alude a la especulación del multiverso para atraer atención mediática. El sensacionalismo en acción.


6 Comentarios

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seitamseitam

Hola Francis,
En primer lugar agradecerte tu labor divulgadora y pedir perdón por el offtopic:
Esta última semana se ha hablado de la empresa “Tokamak Energy” y su reactor “ST40″ que al parecer ha alcanzado crear plasma. Todas las noticias que he leído vienen de medios generalistas, poco contrastadas y que a mi parecer les falta rigor. No he sido capaz de encontrar algún punto de vista realista y tengo la sensación que todo ha sido un movimiento de “Tokamak Energy” para crear ruido y atraer a inversores.
Lo mejor que he podido encontrar en la red a sido el paper creado por profesionales de la misma empresa: http://www.sciencedirect.com/science...79617302144

Desde tu punto de vista, ¿Cómo ves de factible el rumbo de Tokamak Energy?
¿Estamos ante una iniciativa privada para atraer inversores de alto riesgo o tienen suficientemente respaldo científico como para darles crédito?

Muchas gracias,

Francisco R. Villatoro

Seitam, en España tenemos un tokamak parecido (JT-II) que logró su primer plasma en 1997. ¿Qué quieres que te diga? El problema siempre es el dinero. Si este proyecto privado logra mucha financiación podrá aprovechar lo que se ha aprendido en los últimos 20 años con financiación pública y avanzar en dicha línea. Pero por lo que he leído en su web no parecen tener ninguna idea nueva que aparente ser rompedora. Sin mucha más financiación que el CIEMAT, que por ahora no tienen, siempre estarán a la cola. Crucemos los dedos y confiemos en que alguien les financie a fondo perdido.

Tu anciana abuelaTu anciana abuela

Encima de que no tenemos dinero somos idiotas. No terminamos de hacer el cementerio nuclear de Villar de Cañas y estamos pagando a un país extranjero para que nos guarde los residuos nucleares. El dinero que se ahorraría enterrando nuestros residuos nucleares en Villar, podía ser utilizado para tantos y tantos proyectos de investigación que hoy en día tenemos que dejar en la cuneta.

Borja LuisBorja Luis

Eso de que la supermancha no esté provocada por el supervacio superfrio me deja superdesconcertado.

planck

Aún recuerdo el impacto que me produjo hace muchos años las imágenes del satélite COBE sobre el CMB. No podía creer que esa imagen fuese una “foto” de nuestro Universo casi recién nacido, no podía creer que esa foto escondiese las huellas de las semillas de las galaxias de nuestro Universo, las huellas de la inflación y de las fluctuaciones cuánticas justo antes de la expansión exponencial… ¿Como la ciencia es capaz de lograr cosas tan increíbles? Mirando ahora las imágenes de Planck uno se da cuenta del impresionante avance logrado (y de lo viejo que uno se está haciendo :-)
Es evidente que “explicar” una fluctuación estadística de unos 2 sigmas invocando el efecto del choque con otra burbuja primordial durante la inflación no tiene ningún sentido. Además, parece que los detalles de como se observarían en el CMB tales colisiones no están muy claros y hay un montón de factores que podrían hacer que tales colisiones sean imposibles de observar. De nuevo chocamos con una enorme brecha entre teoría y experimento: la teoría de la inflación nos dice que el Multiverso tiene que existir pero probablemente nunca podramos obtener pruebas de su existencia, la teoría de cuerdas nos dice que las cuerdas y las branas tienen que existir pero jamás podremos observarlas directamente, el SM y sus ampliaciones más naturales y las teorias GUT nos dicen que los monopolos magnéticos tienen que existir pero quizás nunca podremos observarlos etc, etc. Por otro lado, está claro que a la naturaleza “se la suda” lo que nosotros podamos o no demostrar, la inflación produjo un crecimiento exponencial del falso vacío y parece prácticamente imposible que solo una burbuja (la nuestra) alcanzase la zona de vacío verdadero creando un solo Universo, si eso fuera así, habría que explicar que extraño mecanismo inhibió la formación de un inmenso número de burbujas de vacío verdadero (Universos) dentro de un falso vacío que crece exponencialmente. Hay que destacar que la inflación no es una teoría exótica inventada por unos “Físicos chiflados”, la inflación es parte fundamental del modelo cosmológico estándar y, a fecha de hoy, es imposible explicar nuestro Universo sin ella. Por otro lado, es muy difícil no relacionar el multiverso inflacionario con el paisaje de la teoría de cuerdas, hay varios escenarios para producir la inflación en TC aunque no parece que sean muy “naturales”. Especulando mucho, en mi opinión ambos escenarios parecen apuntar a una naturaleza multidimensional del espacio-tiempo, la inflación, tanto si sucedió a partir de una fluctuación cuántica primordial como si no, necesita de un espacio-tiempo PREEXISTENTE en el que se puedan aplicar las leyes de la mecánica cuántica (mejor dicho de la desconocida teoría de la gravedad cuántica) por lo que solo tendría sentido hablar del nacimiento del espacio-tiempo a nivel “local” como el nacimiento de una burbuja dentro de un espacio-tiempo preexistente sin principio ni final. (Ahora es cuando tu oyente te pregunta ¿Tu que fumas amigo? :-)
En teoría de cuerdas hay una distancia mínima relacionada con alpha’ las cuerdas cerradas no distinguen si curvamos una dimensión en un radio R o en un radio 1/R (el winding number y el momento intercambian sus papeles) ¿Como debemos interpretar esto? Es como si emergiera un nuevo espacio-tiempo dual cuando intentamos bajar de ciertas escalas de tamaño ¿Que sucede a estas escalas? ¿Que nos quieren decir estas dualidades? ¿Que diablos significan estas ambiguedades o estas equivalencias entre sistemas aparentemente diferentes? Todo apunta a que la verdadera naturaleza del espacio-tiempo es mucho más rica y fascinante de lo que nadie pensó.

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