El fondo cósmico de microondas observado por ACTPol estima la constante de Hubble en H0 = 67.9 ± 1.5 km/s/Mpc

Por Francisco R. Villatoro, el 17 julio, 2020. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Planck • Recomendación • Science ✎ 10

El Telescopio Cosmológico de Atacama para Polarización (ACTPol, por sus siglas en inglés) estudia desde Chile la polarización del fondo cósmico de microondas (CMB) en cierta región del cielo. El espectro del CMB que observa se limita a los multipolos más altos; ℓ  ≥ 600 para la temperatura (TT) y ℓ  ≥ 450 para la polarización (TE y EE). Usando dichos espectros ACT DR4 para estimar la constante de Hubble se obtiene H0 = 67.9 ± 1.5 km/s/Mpc. Este valor se puede mejorar usando los datos finales de WMAP (tras 9 años) para multipolos bajos, en concreto 24 < ℓ  < 1200 para TT, y 24 < ℓ  < 800 para TE; el espectro combinado ACT DR4 + WMAP9 estima la constante de Hubble en H0 = 67.6 ± 1.1 km/s/Mpc. Estos valores son coherentes con el valor actual más preciso, H0 = 67.51 ± 0.61 km/s/Mpc, obtenido por Planck 2018 (DR3), que usa los multipolos 30 < ℓ  < 2508 para TT, y 30 < ℓ  < 1996 para TE y EE. Pudiéndose mejorar un poco dicho valor combinando ACT DR4 + Planck DR3 dando H0 = 67.53 ± 0.56 km/s/Mpc.

El nuevo resultado refuerza el problema de la constante de Hubble. La estimación del valor actual del parámetro de Hubble, H(z), llamado constante de Hubble, H0 = H(0), usando datos cosmológicos del CMB, sin importar el instrumento que se use, discrepa de las estimaciones astrofísicas usando diferentes tipos de objetos cercanos (con desplazamientos al rojo en 0.01 < z < 0.1) en unas cinco sigmas. La causa podría ser que el modelo cosmológico de consenso, ΛCDM, estimado usando el CMB debe ser modificado, lo que cambiaría la evolución H(z) desde H(1100) hasta H(0) y con ello el valor actual de la constante de Hubble. Pero también podría ocurrir que los objetos astrofísicos cercanos que se usan como candelas estándar para medir distancia tienen una física más complicada de lo que pensamos; así la estimación astrofísica estaría sesgada por errores sistemáticos en el análisis de las observaciones. Si eres lector habitual de este blog sabrás que en mi opinión esto último es lo que ocurre.

Los datos del CMB de ACT DR4 contienen mucha más información, pero aquí me limitaré a la estimación de constante de Hubble, en la línea de Davide Castelvecchi, «Mystery over Universe’s expansion deepens with fresh data,» News, Nature (15 Jul 2020), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-02126-6. Si te interesan el resto de los artículos del ACTPol DR4 te los enumero: Simone Aiola et al., «The Atacama Cosmology Telescope: DR4 Maps and Cosmological Parameters,» arXiv:2007.07288 [astro-ph.CO] (14 Jul 2020); Steve K. Choi et al., «The Atacama Cosmology Telescope: A Measurement of the Cosmic Microwave Background Power Spectra at 98 and 150 GHz,» arXiv:2007.07289 [astro-ph.CO] (14 Jul 2020); Sigurd Naess et al., «The Atacama Cosmology Telescope: arcminute-resolution maps of 18,000 square degrees of the microwave sky from ACT 2008-2018 data combined with Planck,» arXiv:2007.07290 [astro-ph.IM] (14 Jul 2020); Omar Darwish et al., «The Atacama Cosmology Telescope: A CMB lensing mass map over 2100 square degrees of sky and its cross-correlation with BOSS-CMASS galaxies,» arXiv:2004.01139 [astro-ph.CO] (02 Apr 2020); Toshiya Namikawa et al., «The Atacama Cosmology Telescope: Constraints on Cosmic Birefringence,» Physical Review D 101: 083527 (17 Apr 2020), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.101.083527, arXiv:2001.10465 [astro-ph.CO] (28 Jan 2020); Mathew S. Madhavacheril et al., «The Atacama Cosmology Telescope: Component-separated maps of CMB temperature and the thermal Sunyaev-Zel’dovich effect,» arXiv:1911.05717 [astro-ph.CO] (13 Nov 2019).

ACTPol ha observado entre 2013 y 2016 la temperatura y polarización del CMB a dos frecuencias, 98 GHz y 150 GHz, en una región de unos 17 000 grados cuadrados de cielo, aunque solo alcanza un nivel de ruido inferior a 10 µK · arcmin en los 600 grados cuadrados centrales. En la estimación de los parámetros cosmológicos y de la constante de Hubble se ha usado una región intermedia de casi 6000 grados cuadrados. Por cierto, toda la superficie del cielo son 41 253 grados cuadrados; así ACT observa un 40 % del cielo, pero solo se ha usado un 14.5 % para hacer cosmología.

Los espectros multipolares para la correlación a dos puntos en temperatura (TT), en temperatura y polarización (TE) y en polarización (EE) obtenidos por ACTPol son prácticamente idénticos a los de Planck (sobre todo cuando se combinan con los de WMAP para cubrir los multipolos bajos). Por cierto, ACTPol no observa los modos B cosmológicos (Primordial en la figura), siendo su estimación para el espectro BB compuesta de los modos B inducidos por los modos E, vía el efecto de lente gravitacional de la materia a escala de supercúmulos. Si ACTPol hubiera aportado algo relevante sobre los modos B el titular de esta pieza sería otro.

Esta tabla compara los seis parámetros del modelo cosmológico ΛCDM estimados por ACT, ACT+WMAP, ACT+Planck y Planck; me gustaría destacar que estos resultados para Planck no son los oficiales, sino que se han recalculado usando el mismo valor a priori para τ (el camino óptico hasta la reionización) que se ha usado en el análisis de ACT, que era el valor estimado por WMAP. Como puedes observar en esta tabla los seis valores son prácticamente idénticos (difieren a menos de una sigma). Por tanto, lo mismo ocurre con los parámetros cosmológicos derivados, como la constante de Hubble, la densidad total de energía oscura y la edad del universo, entre otros; consulta la tabla si te interesan los valores concretos.

Solo destacaré la estimación de la amplitud de lensado (AL), para la que ACT predice  AL = 1.01 ± 0.11 al 95% C.L., en perfecto con la predicción AL = 1 del modelo cosmológico ΛCDM. No sé si recordarás que fueron noticias varias especulaciones sobre que nuestro universo es cerrado (LCMF, 05 nov 2019) apoyadas en que Planck 2018 estima AL = 1.180 ± 0.065 (usando los espectros TT, TE y EE+lowE). Los miembros de la colaboración Planck consideran que esta pequeña discrepancia con la predicción teórica es accidental, debida a fluctuaciones estadísticas propias de que el CMB que observamos es una realización de los posibles CMB compatibles con el modelo cosmológico ΛCDM. Que ahora ACT y ACT+WMAP predigan un valor sin esta discrepancia (aunque con el doble de incertidumbre que Planck) apoya la opinión oficial de la colaboración Planck y de la comunidad científica en Cosmología; los disidentes se seguirán agarrando a un clavo ardiendo para apoyar su sesgo teórico hacia la necesidad de modificaciones en el modelo ΛCDM.

Esta figura muestra dos mapas de lensado gravitacional asociados a la distribución de materia estimados gracias al efecto Sunyaev-Zel’dovich térmico en dos regiones del cielo (llamadas D56, arriba, y BOSS-N, abajo). Para la región BOSS-N se puede realizar una correlación cruzada entre el mapa de lensado de ACT y el obtenido a partir del catálogo galáctico BOSS CMASS, alcanzándose más de diez sigmas de significación estadística. Estos mapas de lensado se han calculado para una región total de unos 2100 grados cuadrados de cielo y permiten estimar de forma independiente la amplitud de lensado, conduciendo a un valor de AL = 1.02 ± 0.10 al 95% C.L. De nuevo un valor en perfecto acuerdo con las predicciones del modelo ΛCDM.

Esta figura compara las observaciones de Planck y ACT para un trozo de cielo de 3 × 3 grados cuadrados. ACT tiene mayor resolución espacial que Planck, pues alcanza un multipolo máximo de 4000 en lugar de solo 2500. Observarás que aparece el mapa a 220 GHz de ACT, que no mencioné cuando hablé de ACTPol. La razón es que la primera versión de ACT, llamada ACT-MBAC, que solo midió la temperatura del CMB entre 2008 y 2010, usaba tres frecuencias (150, 220 y 277 GHz); sin embargo, la segunda versión, llamada ACTPol, que midió temperatura y polarización entre 2013 y 2016, usaba dos frecuencias (90 y 150 GHz). La tercera versión de ACT, llamada Advanced ACTPol (AdvACT), ha medido temperatura y polarización entre 2017 y 2018 a tres frecuencias (90, 150 y 220 GHz) y en un futuro próximo medirá a cinco frecuencias (30, 40, 90, 150 y 220 GHz).

En resumen, los resultados cosmológicos ACT DR4 son espectaculares, aunque he destacado solo algunos puntos. Se estima un valor para la constante de Hubble que apoya el resultado de Planck 2018. Además, se estima un valor para la amplitud de lensado que apoya el modelo cosmológico ΛCDM. A pesar de los deseos íntimos de algunos cosmólogos, este modelo sigue firme y robusto, a pesar de haber superado los 20 años desde que fue propuesto. Sin lugar a dudas promete seguir con nosotros durante muchos lustros.



10 Comentarios

  1. Hola Francis.!! Què ocurrirìa si Betelgeuse «chocara» contra un agujero negro, digamos de 3 masas solares.? El agujero negro comenzarìa a deborarla.? A orbitarla.? O serìa «incorporado»a la estrella, aumentando su masa.? La fuerza gravitatoria de la estrella lo comprimiría hasta llegar a invertirlo.?
    Y otra «cosita»..será que tanto la materia como la energía oscura no pueden ser percibidas por tener una dimensión espacial más.?
    Quizàs mis preguntas estèn mal formuladas debido a mi ignorancia. Saludos desde Argentina

    1. Karem, Betelgeuse tiene unas 20 masas solares y un radio de unos 600 millones de kilómetros, y un agujero negro de 3 masas solares tiene un radio de unos 10 kilómetros; así Betelgeuse es 60 millones de veces más grande. En la colisión todo depende de la velocidad del agujero negro relativa a la de Betelgeuse y de la distancia mínima entre los centros de las trayectorias de ambos cuerpos. Lo más probable es que no pase nada, Betelgeuse sería transparente para el agujero negro; pero si se acercase mucho a su núcleo podría ponerse a orbitarlo, robándole poco a poco, muy poco a poco, su masa (el ritmo sería tan lento que Betelgeuse explotaría como supernova antes de que el agujero negro le robara una masa que pudiéramos medir desde la Tierra). Recuerda, los agujeros negros son máquinas muy ineficaces a la hora de devorar materia; lo que hayas visto en las películas es solo eso, cosa de películas.

      No sabemos lo que son la materia oscura y la energía oscura, pero sabemos con toda seguridad que no tienen nada que ver con una quinta dimensión espacial; es imposible que sean «objetos» de una «quinta dimensión» (salvo en las películas), pues entonces habríamos observado dicha dimensión en nuestros experimentos (llevamos buscándola más de 50 años). Que no sepamos qué es la materia oscura y la energía oscura te puede hacer pensar que no sabemos nada sobre ellas, pero sabemos muchísimas cosas (llevamos estudiando la materia oscura más de 50 años y la energía oscura más de 20 años); y sabemos que no pueden ser cualquier cosa que se te ocurra.

  2. Hola, acabo de ver que según los últimos resultados recién publicados de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) / extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), la mejor estimación de la constante de Hubble que se obtiene analizando los últimos 11 mil millones de años de expansión del Universo es de Ho=68.2 +/- 0.81 (km/s)/Mpc. Ver «The Completed SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Cosmological Implications from two Decades of Spectroscopic Surveys at the Apache Point observatory» :
    https://arxiv.org/abs/2007.08991
    Saludos.

  3. Cmbr.
    Hola Francis !
    Mi más sincera admiración por tu esfuerzo de divulgación ! Muchísimas gracias. Es muy loable y difícil (imagino) el intentar rellenar ese hueco de divulgación entre la noticia breve y sin detalle de la mayoria de medios y los papers de las revistas.
    Después de haber leído mucho sobre la radiación de fondo (a nivel de divulgación), sigo sin ser capaz de visualizar su evolución temporal.
    Por ejemplo, en el sencillo análogo del universo en expansión como un globo inflándose con motas fijas pintadas sobre su superficie, ¿ cómo explicarías la evolución temporal de la radiación de fondo?, si es que es apropiada la pregunta.
    Se supone que cuando el universo tenía 360000 años los fotones quedaron liberados y pudieron viajar libremente, pero:
    ¿ se trata de un evento instantáneo? ¿ todos los fotones de la radiación de fondo se emitieron en un instante ?. Entonces tendría que acabarse en algún momento, como un destello de un faro. Está claro que esta no parece la mejor respuesta.

    ¿ O por contra es una radiación persistente en el tiempo?. Pero entonces habrá fotones generados en tiempos posteriores. No todos serían de cuando el universo tenía 360000 años.

    Como ves tengo un pequeño lío en la cabeza. Puedes aclararme algo ?

    Muchas gracias.

    1. Juan, «en el sencillo análogo del … globo inflándose … ¿ cómo explicarías la evolución temporal de la radiación de fondo?». La radiación cósmica de fondo tiene el espectro de un cuerpo negro, es decir, un cuerpo ideal caracterizado solo por su temperatura y nada más. La explicación es sencilla: con la expansión cósmica la radiación cósmica de fondo se enfría; no tiene ninguna otra «evolución temporal». Al enfriarse la longitud de onda de sus fotones crece (o su frecuencia decrece). Para z = 1100 su temperatura era de unos 3000 K; hoy en día, z = 0, es de 2.7 K.

      «360 000 años los fotones quedaron liberados … ¿evento instantáneo? ¿se emitieron en un instante?» No, el proceso duró unos cientos de miles de años (desde z = 6000 hasta z = 1100). Los fotones del CMB están marcados por su última interacción con los electrones del plasma antes de la formación de los primeros átomos (la recombinación). Primero se recombinaron los electrones con iones de helio y luego con iones de hidrógeno (consulta la wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Recombination_(cosmology)#Primordial_helium_recombination). Eso sí, la mayoría de los fotones tuvieron su última interacción con electrones en las épocas finales (entre z = 1500 y z = 1100, es decir, para temperaturas entre 4000 K y 3000 K). A día de hoy no hemos observado las marcas de este fenómeno en el CMB (son pequeñísimas anisotropías en la temperatura por debajo de la sensibilidad que podemos alcanzar hoy en día); pero se espera observarlo en las próximas décadas (Alberto Rubiño, líder de QUIJOTE en el IAC, espera que se logre antes de 2030; le veo optimista).

      Saludos
      Francis

  4. Muchas gracias. Como siempre, es un placer leer tus explicaciones, aunque otra cosa es el tiempo que necesite para asimilarlas completamente. Espero que sea menor que “unos cientos de miles de años”.

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