Dudosos indicios apuntan a que el universo es cerrado

Por Francisco R. Villatoro, el 5 noviembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 17

Según el modelo cosmológico de consenso ΛCDM el universo es plano. Lo confirman las observaciones del telescopio espacial Planck 2018 (TT,TE,EE+lowE+lensing) junto a las de BAO, que ofrecen Ωk = 0.0007 ± 0.0019 al 68% CL. Sin embargo, si solo se usan los datos de Planck 2018 se obtiene un valor de −0.095 < Ωk < −0.007 al 99% CL, una desviación a 3.4 sigmas de la planitud. Se publica en Nature Astronomy  un artículo que usa este resultado para afirmar que el universo es cerrado (su curvatura es positiva). En mi opinión, el resultado es poco confiable porque, para resolver un problema se introducen nuevos problemas, entre ellos una nueva tensión con los datos de BAO.

La hipótesis de que el universo es cerrado es una posible solución del problema de la constante de Hubble (la discrepancia entre las medidas de la escalera de distancias usando supernovas Ia y las medidas cosmológicas). Los datos de Riess et al. (2018), marcados con R18 en la figura, apuntan a una curvatura Ωk = −0.091 ± 0.037 al 68% CL (región en gris en la figura). Como este valor es compatible con la estimación de Planck 2018, Eleonora Di Valentino, Univ. Manchester, UK, y sus dos coautores apuntan a que su propuesta resuelve el problema de la constante de Hubble.

Los propios autores del nuevo artículo afirman que hay que ser muy cautos con su nuevo resultado. Sin embargo, muchos medios están vendiendo a bombo y platillo que ya hay evidencias de que el universo es cerrado. Desde aquí solo puedo pedir un cierto grado de escepticismo al respecto. El artículo es Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri, Joseph Silk, “Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology,” Nature Astronomy (04 Nov 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-019-0906-9. En medios puedes leer noticias como Leah Crane, “Cosmological crisis: We don’t know if the universe is round or flat,” NewScientist, 04 Nov 2019; Natalie Wolchover, “What Shape Is the Universe? A New Study Suggests We’ve Got It All Wrong,” Quanta Magazine, 04 Nov 2019; Bob Yirka, “Researchers claim data from Planck space observatory suggests universe is a sphere,” Phys.org, 05 Nov 2019; entre otras.

[PS 07 nov 2019] El artículo ya está disponible en arXiv: Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri, Joseph Silk, “Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology,” arXiv:1911.02087 [astro-ph.CO] (05 Nov 2019). [/PS]

[PS 08 nov 2019] Sobre la amplitud de lensado gravitacional y su estimación a partir de los datos de Planck recomiendo la charla de Antony Lewis (On behalf of the Planck Collaboration), “Lensing from Planck,” Cosmologist.info [slides PDF]. [/PS].

Esta figura, a la izquierda, muestra que la predicción del modelo ΛCDM con datos de Planck 2018 (curva azul) corresponde a un universo con curvatura cero (plano). Sin embargo, si solo se usan los datos de Planck 2018, sin asumir ningún modelo cosmológico, una estimación por el método de Montecarlo apunta a una curvatura negativa (curva negra), incluso más negativa que usando solo los datos de Planck 2015 (curva verde); la curva roja es para otra distribución de verosimilitud estadística llamada CamSpec, en lugar de la estándar, llamada plik en la figura (que también se usa para PL15 aunque no se indica en la figura). Este resultado no es nuevo, ya que se comenta en los artículos de la Colaboración Planck (a la que pertenecen los autores); véase, por ejemplo, la sección 7.3 de Planck Collaboration, “Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters,” arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] (17 Jul 2018).

¿Por qué nadie se ha hecho eco de este resultado? Porque la curvatura es un parámetro derivada del modelo ΛCDM que está degenerado con un parámetro fenomenológico llamado amplitud de lensado (AL), como muestra esta figura a la derecha. La mayor anomalía que se observa entre los datos de Planck 2018 y las predicciones del modelo ΛCDM está en este parámetro; el modelo ΛCDM predice AL = 1, y Planck 2018 estima AL = 1.18 ± 0.14 at 95% C.L. (y 1.180 ± 0.065 para TT,TE,EE+lowE). La solución más simple a esta discrepancia a unas tres sigmas es que el universo tiene una pequeña curvatura positiva (Ωk < 0). Así lo desvelaron los autores tras ajustar los datos de Planck 2018 con un modelo cosmológico con 10, 11 y 12 parámetros (ΛCDM+w+wa+αS+Neffmν+AL), en lugar de los 6 del ΛCDM. El artículo es Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri, Joseph Silk, “Cosmological constraints in extended parameter space from the Planck 2018 Legacy release,” arXiv:1908.01391 [astro-ph.CO] (04 Aug 2019).

Si todo parecen ventajas, ¿cómo es posible que la Colaboración Planck no publicara este descubrimiento el año pasado? La razón es que la solución propuesta a para algunas tensiones genera nuevas tensiones por otro lado. En la parte izquierda de esta figura aparece una nueva tensión con los datos de KiDS-450 para la deformación cósmica (cosmic shear), que se suele medir con el parámetro σ8. En la parte derecha de la figura se observa una tensión con los datos de BAO (oscilaciones acústicas bariónicas) en función de la edad del universo.

Pero el gran problema, en mi opinión, es la tensión con los datos de BAO mostrada en esta figura (debes comparar la figura de arriba publicada por la Colaboración Planck con la nueva figura de abajo). Al añadir la curvatura como parámetro libre adicional a los seis parámetros del modelo ΛCDM (el llamado modelo ΛCDM+Ωk) se observa una desviación a unas tres sigmas respecto a la predicción de Planck 2018 y las observaciones de BAO en diferentes catálogos galácticos. El parámetro mostrado en la figura es el cociente entre la distancia de volumen promedio DV  y la escala acústica promedio rdrag, ambas como función del desplazamiento al rojo (z), normalizados respecto a la estimación de Planck 2018.

Esta figura me genera muchas dudas sobre un universo con curvatura positiva, sobre todo si la comparamos con la figura de arriba para un universo plano. Al añadir un nuevo parámetro la dispersión crece conforme baja z (compara la zona gris arriba con la zona verde abajo). Y los datos se van separando de las observaciones realizadas con múltiples catálogos galácticos a diferentes desplazamientos al rojo (6dFGS, SDSS, BOSS, WiggleZ, DES, etc.). Que para arreglar un problema haya que introducir otros es algo habitual; así que me surgen muchas dudas sobre el nuevo trabajo.

Esta figura muestra la importancia de incorporar los datos de BAO al análisis de los datos cosmológicos de Planck 2018 (TT,TE,EE+low) para estimar la curvatura del universo. Usando la extensión mínima del modelo ΛCDM que permite que la curvatura varíe se observa que valores más altos de la constante de Hubble apuntan a un universo plano con poca materia. En esta figura de la Colaboración Planck se ha usado un método de Montecarlo con verosimilitud CamSpec.

En resumen, se publica en Nature Astronomy una propuesta curiosa que debemos tomar con alfileres. Los indicios de que el universo es cerrado son poco firmes. En mi opinión, hablar de crisis en la cosmología es buscar puro sensacionalismo. Todo parte de la discrepancia entre los parámetros del modelo ΛCDM estimados usando multipolos bajos, 2 ≤ ℓ ≤ 800, y multipolos altos, 800 ≤ ℓ ≤ 2500. No sabemos su causa, solo que futuros telescopios espaciales especializados en los multipolos bajos serán necesarios para dilucidar esta cuestión. Mientras tanto, el universo seguirá siendo plano según las observaciones cosmológicas actuales.



17 Comentarios

    1. Hola Pablo:

      Significa simplemente que es una esfera de tres dimensiones, sólo eso. El método que propones no es suficientemente preciso para caracterizar el universo como “cerrado”, recuerda que el universo se expande aceleradamente, entonces “regresar al punto inicial tras viajar indefinidamente” dependerá de la velocidad a la que lo hagas suponiendo que viajas en trayectorias cerradas y que habéis verificado este hecho para cada una ellas (una infinidad de hecho). Así que esta no es una buena idea.

      La única forma correcta de definir “universo cerrado” es como lo hacen los cosmólogos. Verificando el principio cosmológico y determinando que el parámetro de densidad Ω es mayor que uno.

      Saludos.

  1. Hola Pablo. No es así [1], cerrado quiere decir que llegará un momento, dentro de miles de millones de años donde el universo se contraerá y al final colapsará. Por lo que tengo entendido la idea actual es más hacia un universo en suave expansión acelerada.
    Según comenta este excelente artículo Ωk da una idea de la curvatura de nuestro universo.

    Referencias:
    [1] https://www.astromia.com/universo/formauniverso.htm

    1. Hola José Antonio S.A.

      Tampoco es correcto definir “universo cerrado” como aquel que tendrá un “Big Crunch” a tiempos remotos (a->0 cuando t -> infinito). El modelo de universo estático de Einstein es un ejemplo de universo con κ=+1, constante cosmológica y materia que es estático (aunque inestable).

      En la página ocho, capítulo “Matter + Lambda + Curvature” del siguiente documento https://condor.depaul.edu/asarma/Teaching/Spring2012/PHY475/LEC475/Lec10apr25.pdf podréis observar diferentes comportamientos para un universo compuesto de materia, constante cosmológica y curvatura positiva (buena aproximación a lo que sería la descripción del universo en tiempos actuales si la hipótesis de κ=+1 resultase correcta), entre estos hay por supuesto soluciones tipo “Big Crunch” pero también hay otras tipo “Big Chill” o “Loitering”; esto se mantiene cierto si añades la componente de radiación a las consideraciones anteriores.

      Como dije: lo mejor es definir “universo cerrado” como aquel universo en el que se cumple el principio cosmológico y el parámetro de densidad es mayor que la unidad.

      Saludos.

      1. Otra posibilidad es que la energía oscura se volviera atractiva, no repulsiva, en el futuro, y causara el colapso del Universo aunque a fecha de hoy no parece que vaya a pasar.

        El problema también de esta idea es cómo explicar los datos que soportan la teoría de la inflación.

        1. Hola U-95:

          Se puede demostrar que la energía oscura no puede volverse atractiva en tiempos futuros con independencia de la estructura microscópica de la energía oscura.

          Considera la ecuación de Friedmann para el parámetro de densidad Ω(t) en función de la curvatura espacial κ: [1 – Ω(t)] = (-κ) α , donde α es un parámetro dependiente del tiempo pero siempre positivo. Ahora nota que si ocurriese lo que la componente de presión para Λ se volviese positiva, entonces se seguiría que Ω(t) > 1 para t >> (tiempo actual) y ello tendría como consecuencia que [1 – Ω(t)] dejaría de ser cero para ser un número positivo y lo mismo sería cierto (por la ecuación de Friedmann) para κ lo cual es imposible para un universo en expansión.

          De hecho el paso de Ω(t) = 0 a Ω(t) > 1 a tiempos lejanos (pero finitos) ya es físicamente muy dudoso y eso sin mencionar que cuánticamente es muy difícil hacer siquiera plausible lo que propones.

          Saludos

    2. Dice José Antonio: “… cerrado quiere decir que llegará un momento, dentro de miles de millones de años donde el universo se contraerá y al final colapsará…”
      No, eso en general no es correcto. Solo es correcto si la constante cosmológica es CERO, (universos sin energía oscura), como se pensaba que sucedía desde ~ 1930 ~ 1998
      La información que figura en el enlace de AstronoMia.com que aportas, es incorrecta para un universo con energía oscura, en el párrafo donde dice “Universo cerrado, Destino final= Colapso y Big Crunch”
      Si el ratio de energía oscura tiene un valor significativo, (que resulta ser de alrededor del 68% en nuestro universo), éste aunque fuese cerrado se expandirá eternamente.
      Puedes ver detalles en:
      https://forum.lawebdefisica.com/forum/el-aula/relatividad-y-cosmología/42692-duda-con-la-métrica-flrw?p=293275#post293275
      Saludos.

  2. Hola.

    Como buen lego, nunca había oído el concepto de “amplitud de lensado”. Y por google no veo nada al respecto.

    De cara a buscar info, ¿alguien me puede decir cuál es el término correcto en inglés?

    1. Si el universo fuese cerrado, éste sería una 3-esfera con radio “a” e hiperárea “V”, que se calcularía mediante:

      V = 2 · π^2 · a^3

      La longitud “L” que recorreríamos viajando siempre en “línea recta” (siguiendo una geodésica) hasta volver al punto de partida sería:

      L = 2 · π · a

      (Ver https://en.wikipedia.org/wiki/3-sphere )

      Saludos.

  3. Hola, entiendo que el parámetro amplitud de lensado, se refiere a la amplitud del efecto de lente gravitacional. ¿Significa esto que es un parámetro para corregir el efecto lente gravitacional, es decir, de la distorsión del Fondo Cósmico de Microondas?. ¿Alguien me lo puede explicar de una forma sencilla?

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