La anomalía del fondo cósmico de microondas que no explica la varianza cósmica

Dibujo20140805 low multipoles - cmb spectrum - planck telescope - esa

La varianza cósmica es la incertidumbre estadística en las observaciones del universo a grandes escalas. Los datos de WMAP y Planck muestran una anomalía para multipolos bajos (entre 20 y 40). Un déficit de potencia entre el 5% y el 10% con una significación estadística entre 2,5 y 3 sigmas (desviaciones típicas). ¿Cuál es su causa? Nadie lo sabe.

¿Desaparecerá esta anomalía en los datos que Planck publicará en noviembre de 2014? Quizás sí, o quizás no. ¿Tiene un origen pre-inflacionario? Hay propuestas en este sentido que nacieron en los expertos en teoría de cuerdas. ¿Se puede considerar esta anomalía como una predicción cosmológica de la teoría de cuerdas? No, no es una predicción genérica, pero si se confirma apuntaría a algunos modelos cosmológicos inspirados en la teoría de cuerdas.

Esta última posibilidad nos la sugieren Francisco G. Pedro, Alexander Westphal, «Low-l CMB Power Loss in String Inflation,» arXiv:1309.3413 [hep-th]; Zhi-Guo Liu et al., «CMB anomalies from an inflationary model in string theory,» arXiv:1311.1599 [astro-ph.CO]; N. Kitazawa, A. Sagnotti, «Pre-Inflationary Clues from String Theory?,» arXiv:1402.1418 [hep-th]; y Michele Cicoli et al., «Just enough inflation: power spectrum modifications at large scales,» arXiv:1407.1048 [hep-th].

Por cierto, más información experimental sobre la anomalía en los datos publicados por Planck en marzo de 2013, incluyendo un ajuste mediante una ley de potencias, en Planck collaboration, «Planck 2013 results. XV. CMB power spectra and likelihood,» arXiv:1303.5075 [astro-ph.CO].

Dibujo20140805 pre-inflationary horizon logarithmic plot comoving horizon vs e-foldings - arxiv

Francisco G. Pedro (DESY, Hamburgo, Alemania) y sus colegas nos proponen un modelo efectivo pre-inflacionario caracterizado por un parámetro ξ = −(1+3 ω)/2, donde ω=p/ρ es la ecuación de estado del universo en dicha época. Esta figura muestra en escala logarítmica el radio del horizonte preinflacionario, aH ~ exp(ξ Ne), en función de la tasa de expansión acelerada medida por el número de e-foldings, Ne = log a, durante la inflación.

Dibujo20140805 Cl power spectrum for a region 1 fast-roll pre-inflationary stage compared with planck 2013 cmb - arxiv

El razonamiento expuesto en el artículo (omito detalles) apunta a que los modelos pre-inflacionarios tipo I (ξ=−1 ↔ ω>0) y tipo IV (ξ>1 ↔ ω<−1) predicen (o mejor, postdicen) la pérdida de potencia observada por Planck en los multipolos bajos del espectro del fondo cósmico de microondas.

Dibujo20140805 Cl power spectrum for a region 2 fast-roll pre-inflationary stage compared with planck 2013 cmb - arxiv

Por el contrario, los modelos de tipo II (−1/2<ξ<0 ↔ −1/3<ω<0) y tipo III (0<ξ<1 ↔ −1<ω<−1/3) predicen una ganancia de potencia en los multipolos bajos que está en contra de las observaciones. Sin embargo, las desviaciones no son tan grandes como para descartarlos de forma definitiva.

Los autores no se decantan claramente entre los modelos de tipo I y IV, pero me parece que prefieren un modelo pre-inflacionario de tipo I, con un fast-roll previo al slow-roll. Recuerda que el modelo inflacionario más popular se llama slow-roll («rodadura lenta») y que el fast-roll («rodadura rápida») es una predicción de algunos modelos cosmológicos inspirados en la teoría de cuerdas. Por supuesto, esta fase de fast-roll podría tener un origen independiente de la teoría de cuerdas (como ocurre con la supersimetría y otras de sus predicciones).

En ciencia hay que ser pacientes. Quizás sea pronto para tratar de explicar una «pequeña» anomalía que sugirió COBE, confirmó WMAP y reconfirmó Planck. La varianza cósmica aplicada a los modelos inflacionarios en boga no es suficiente para explicar esta anomalía. Aludir a efectos desconocidos pre-inflacionarios parece bastante natural para los físicos teóricos. Máxime cuando dichos efectos están soportados por ciertos modelos cosmológicos más allá del modelo de consenso (ΛCDM).

En mi opinión, lo más interesante de la anomalía y su explicación es que desvela que no sólo podremos explorar el universo inflacionario (escala de energía GUT) en el fondo cósmico de microondas, también podremos ir más allá y estudiar posibles universos pre-inflacionarios (escala de energía de Planck). Nunca digas nunca jamás en relación a las escalas de energía que la Naturaleza te permitirá explorar (aunque sea de forma indirecta).



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 5 agosto, 2014
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Planck • Science
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