El problema de la masa de los cúmulos galácticos observados por el telescopio Planck

Dibujo20140220 weighing up galaxy clusters - gravitational lensing and SZ effect

Gracias al efecto de Sunyaev-Zeldovich (SZ), el telescopio espacial Planck de la ESA ha observado que hay un 40% menos masa en los cúmulos galácticos de lo predicho por el modelo cosmológico de consenso (ΛCDM). Hay dos soluciones: o bien los cúmulos tienen más masa de la que observamos, o bien el modelo es incorrecto. También podría haber un error sistemático en las medidas de Planck basadas en el efecto SZ, pero la mayoría de los cosmólogos se decanta por la primera solución.

La masa que falta en los cúmulos puede ser debida a los neutrinos (sugieren desde Planck). Wayne Hu (Univ. Chicago) y sus colegas lo achacan en Physical Review Letters a la existencia de un neutrino estéril con una masa del orden de un electrónvoltio. Sin embargo, hay una solución aún más sencilla, la masa que falta en los cúmulos está en forma de gas intergaláctico, pero no la vemos por su baja densidad. Esta idea viene ratificada por las medidas mediante lentes gravitacionales obtenidas por Anja von der Linden (Univ. Stanford, California) y sus colegas. Cuando en la balanza tienes una solución exótica y otra que no lo es, casi siempre tiene más peso la segunda.

Nos lo contó Eugenie Samuel Reich, «Missing galaxy mass found. Gravitational lensing solves puzzle from the Big Bang’s echo,» Nature News, 18 Feb 2014. Los artículos técnicos citados son: Planck Collaboration, «Planck 2013 results. XX. Cosmology from Sunyaev-Zeldovich cluster counts,» Accept. A&A, arXiv:1303.5080 [astro-ph.CO]; Mark Wyman et al., «Neutrinos Help Reconcile Planck Measurements with the Local Universe,» Phys. Rev. Lett. 112: 051302, 6 Feb 2014; Anja von der Linden et al., «Robust Weak-lensing Mass Calibration of Planck Galaxy Clusters,» arXiv:1402.2670 [astro-ph.CO]; y Adam B. Mantz et al., «Cosmology and Astrophysics from Relaxed Galaxy Clusters II: Cosmological Constraints,» arXiv:1402.6212 [astro-ph.CO].

Dibujo20140527 cosmological estimation of Neff - number of neutrino-like species - arxiv

Según la desintegración de bosones Z en neutrinos (medida por el colisionador LEP2 del CERN), existen tres especies de neutrinos (el mismo número que familias de leptones y quarks). Sin embargo, las estimaciones mediante datos cosmológicos del número de especies de partículas ultrarrelativistas masivas (Neff) no son concluyentes. Los datos de Planck+SPT+WMAP+ACT+BAO apuntan a tres especies (Neff=3), pero si se incorpora el reciente resultado de BICEP2 (que algunos han puesto en entredicho) se apunta a cuatro especies (Neff=4). Además, las tensiones entre Planck, WMAP9 y H0 (las medidas de la constante de Hubble) admiten la posibilidad de que haya hasta cinco especies (de hecho, Neff=5 ajusta mejor que Neff=4 muchas tensiones).

Por todo ello, pocos físicos descartan la existencia de neutrinos estériles, leptones neutros (como los neutrinos) que no interaccionan con los bosones Z (con la interacción electrodébil). Además, como sólo hemos observado neutrinos con quiralidad izquierda, cuando los leptones cargados (como los electrones) se observan con quiralidad izquierda y derecha, podría ocurrir que hubiera tres neutrinos estériles correspondientes a la componentes de quiralidad derecha de los neutrinos. Ello permitiría que los neutrinos pudieran oscilar en neutrinos estériles lo que explicaría algunas observaciones que están en entredicho.

Dibujo20140527 comparison planck vs weak lensing measurement of mass in 500 clusters - arxiv

Pero por muy sugerente y motivada que pueda estar la existencia de neutrinos estériles, si para explicar el déficit de masa en los cúmulos galácticos observado por el telescopio Planck se puede encontrar una solución menos exótica, la mayoría de los cosmólogos se decantarán por ella. Las medidas mediante lentes gravitacionales débiles de la masa de los cúmulos del proyecto Weighing the Giants («pesando los gigantes»), que usa dos telescopios en Mauna Kea, Hawaii (en concreto, el telescopio Subaru y el telescopio de Canadá-Francia-Hawaii), para medir la masa de 22 cúmulos ofrece un valor un 43% mayor que el estimado por Planck para dichos cúmulos. Además, el proyecto CLASH (Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble) que usa el telescopio espacial Hubble para medir la masa de 25 cúmulos, también estima la masa en un 30% mayor que la estimada por Planck.

Todo parece indicar que las medidas de la masa de los cúmulos de Planck basadas en el efecto Sunyaev-Zel’dovich subestiman el valor correcto. Por supuesto, el asunto todavía no está resuelto y habrá que esperar a futuras medidas para afinar estas estimaciones. El proyecto DES (Dark Energy Survey) que utiliza el telescopio de Cerro Tololo, en Chile, medirá mediante lentes gravitacionales la masa de cientos de cúmulos. El instrumento japonés Hyper Suprime-Cam (HSC) que se ha instalado en el telescopio Subaru, también realizará medidas similares.

La fuente de las tensiones cosmológicas para la masa de los cúmulos observados por el telescopio Planck acabará siendo encontrada. Quizás no oculte nueva física (como los neutrinos estériles), pero nos dará información muy importante sobre la dinámica a gran escala del universo y el efecto de la energía oscura sobre ella. Cuantos más información recabemos sobre los efectos de la energía oscura más próximos estaremos al momento en el que se desvele de forma definitiva su origen.



1 Comentario

  1. No se dice que la energía oscura sea debida a las masas, sino
    even if turns out that no cluster mass was missing after all, it will still be important to trace the evolution of today’s clusters from the original cosmic ripples to see how the effects of dark energy, a mysterious repulsive force, may have changed with time.
    Yo entiendo que se refieren a los efectos de la energía oscura sobre la masa de los cúmulos y no al revés.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 27 mayo, 2014
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