Errores sistemáticos podrían ser la causa del problema de la constante de Hubble

Dibujo20180502 hubble constant versus matter content marginalized constraints arxiv 1803 04470

El doctorando español José Luis Bernal (Univ. Barcelona, España) y el famoso cosmólogo John A. Peacock (Univ. Edimburgo, Reino Unido) han desarrollado una nueva técnica bayesiana para estimar los errores sistemáticos en la medida de parámetros experimentales llamada BACCUS (BAyesian Conservative Constraints and Unknown Systematics). Para ilustrar su uso la han aplicado a las medidas de la constante de Hubble. Combinando con la nueva técnica las medidas de la escalera cósmica de distancias con las medidas basadas en el fondo cósmico de microondas se observa que la tensión desaparece. Por tanto, el problema de la constante de Hubble podría tener su origen en errores sistemáticos no considerados en los análisis.

Por supuesto, hay que ser muy cautos con esta posible solución al problema. Los errores sistemáticos en un experimento o una observación son de dos tipos según la estadística bayesiana. Los de tipo 1 afectan a las probabilidades a priori, pero no a posteriori; los de tipo 2 afectan a las probabilidades a posteriori, pero no a priori. Todo el mundo estima los primeros, pero olvida de los segundos, pues requieren comparar diferentes experimentos u observaciones. El método BACCUS parece sugerir que los errores sistemáticos de tipo 2 son el origen de la tensión en las medidas de la constante de Hubble. Solo un análisis preciso de su origen puede dilucidar con rigor la cuestión.

Todavía es pronto para afirmar que se ha resuelto el problema. Pero parece claro que es recomendable que los cosmólogos usen métodos estadísticos bayesianos más rigurosos. Quizás en un futuro no muy lejano se use de forma estándar el método BACCUS. El nuevo artículo José Luis Bernal, John A. Peacock, “Conservative cosmology: combining data with allowance for unknown systematics,” arXiv:1803.04470 [astro-ph.CO]. Más información divulgativa en Ramin Skibba, “A Radically Conservative Solution for Cosmology’s Biggest Mystery,” Quanta Magazine, 01 May 2018.

Por supuesto, la solución del problema podrían ser errores sistemáticos de tipo 1 aún no considerados. En esta línea recomiendo el artículo de Adam G. Riess, Stefano Casertano, …, Richard I. Anderson, “Milky Way Cepheid Standards for Measuring Cosmic Distances and Application to Gaia DR2: Implications for the Hubble Constant,” arXiv:1804.10655 [astro-ph.CO]. Habrá que estar al tanto sobre cómo afectan las 350 nuevas cefeidas descubiertas gracias al catálogo Gaia DR2 (G. Clementini, V. Ripepi, …, M. Riello, “Gaia Data Release 2: Specific characterisation and validation of all-sky Cepheids and RR Lyrae stars,” arXiv:1805.02079 [astro-ph.SR]).

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Como supongo que ya sabes, hay un conflicto a unas 3 sigmas entre las estimaciones de la constante de Hubble usando medidas cosmológicas (basadas en el fondo cósmico de microondas), 66.93 ± 0.62 km/s/Mpc, y las medidas astrofísicas (basadas en la escalera cósmica de distancias usando cefeidas y supernovas Ia), 73.52 ± 1.62 km/s/Mpc. La publicación del catálogo estelar de Gaia DR2 promete aportar información relevante al respecto. Por ahora parece que solo complica la cuestión, pues se ha encontrado un sesgo (error sistemático) en las medidas de distancias usando las 50 cefeidas más brillantes que indica que el punto cero para las medidas de su distancia usando el telescopio espacial Hubble está desplazado hacia arriba; como resultado la tensión sube de 2.9 sigmas a unas 3.8 sigmas. Pero, por otro lado, se han encontrado 350 nuevas cefeidas que aún no se han incorporado a las análisis de la constante de Hubble. Aún no se sabe cómo afectarán.

Dibujo20180502-hubble-constant-marginalized-posterior-distributions-arxiv-1803-04470

Volviendo al método BACCUS de Bernal y Peacock, sus resultados para la constante de Hubble se muestran en esta figura (lo interesados en conocer los detalles de cada curva en gris deben consultar el artículo). Cuando solo se combinan los errores sistemáticos de tipo 1, el resultado es la curva en naranja en la figura, que tiene una dispersión mucho más pequeña que cuando se incluyen los errores sistemáticos de tipo 2 (curvas azul, verde y morada en la figura). Por ello, medidas que parecen estar en tensión (separadas más de 2 sigmas) acaban resultando ser compatibles (a menos de 2 sigmas). Por supuesto, en el análisis bayesiano se asume que todas las medidas combinadas son independientes entre sí (lo que no es del todo cierto en este caso, pues telescopios como el Hubble se usan en varias de las medidas de las curvas grises).

En resumen, la estadística nunca miente, pero su interpretación siempre es muy difícil. Un buen ejemplo es la posible existencia de errores sistemáticos desconocidos que no se han tenido en cuenta en los análisis. La interpretación de las conclusiones de un análisis bayesiano ciego basado en probabilidades a posteriori es muy difícil. Estos análisis solo nos recuerdan que las tensiones aparentes podrían tener su origen en nuestro deseo de encontrar señales de nueva física donde solo hay efectos estadísticos. Pero la solución al problema de la constante de Hubble solo puede venir gracias a mejoras en las medidas y tras un conocimiento más preciso de sus errores sistemáticos a priori.


3 Comentarios

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notengoniideanotengoniidea

¿Y no hubiera sido más lógico aplicar este nuevo método de análisis a problemas de este tipo ya resueltos para ver si el método funciona?

notengoniideanotengoniidea

Gracias Guillermo, no suelo leer los papers pero me parecía extraño que no hubiera ninguna validación del método, igual Francis podía incorporar alguna mención en el artículo, aunque bastante hace ya con acercarnos a la ciencia todos los días a través de su blog.

Un saludo.

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