La constante de Hubble estimada por eBOSS (SDSS-IV) es H0 = 68.20 ± 0.81 km/s/Mpc

Por Francisco R. Villatoro, el 22 julio, 2020. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 10

Se acaba de publicar la décimosexta edición (DR16) del catálogo galáctivo Sloan (SDSS-IV, por Sloan Digital Sky Survey IV), que es la edición final de eBOSS (extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), el catálogo más completo de cuásares y galaxias. Los cuásares con desplazamiento al rojo 0.8 < z < 2.2 permiten estimar el parámetro de Hubble usando medidas de distancia basadas en el diámetro angular; así se obtiene una estimación cosmológica de la constante de Hubble independiente del fondo cósmico de microondas. Por supuesto, para estimar la constante de Hubble hay que usar un modelo cosmológico; usando el modelo ow0waCDM se obtiene H0 = 68.20 ± 0.81 km/s/Mpc, que usando el modelo ΛCDM se reduce a H0 = 67.35 ± 0.97 km/s/Mpc. Esta nueva medida cosmológica acrecienta el problema de la constante de Hubble.

Los resultados cosmológicos de eBOSS prueban a 8 sigmas que la expansión del universo se ha estado acelerando durante los últimos seis mil millones de años, es decir, la existencia de la energía oscura (sin necesidad de usar supernovas Ia, ni el fondo cósmico de microondas); usando solo BAO se estima ΩΛ = 0.637+0.084−0.074; para el ΛCDM el resultado combinado CMB T&P + BAO + SN es ΩΛ = 0.6891 ± 0.0057. El ritmo de aceleración de la expansión es compatible con la constante cosmológica (no se observa que la densidad de energía oscura cambie con el tiempo o en el espacio); asumiendo para la ecuación de estado de la energía oscura w(a) = w0 + wa(1−a), se estima usando el modelo cosmológico w0waCDM que w0 = −0.912 ± 0.081, y wa = −0.48+0.36−0.30, un resultado coherente con w = −1 predicho por el modelo ΛCDM. Más aún, se observa que el universo es plano con curvatura Ωk = −0.0001 ± 0.0018, estimada usando el modelo cosmológico oΛCDM. Además, usando el modelo cosmológico νΛCDM se estima la suma de las masas de los neutrinos  en ∑mν < 0.111 eV al 95 % C.L. (unas 4.6 millones veces menos masa que el electrón).

El artículo que resume los resultados cosmológicos es eBOSS Collaboration, «The Completed SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Cosmological Implications from two Decades of Spectroscopic Surveys at the Apache Point observatory,» Physical Review D (submitted), arXiv:2007.08991 [astro-ph.CO] (17 Jul 2020); un resumen en español en «El mayor mapa 3D del universo jamás creado», Agencia SINC, 20 jul 2020; también recomiendo Ethan Siegel, «Record-Breaking 3D Map Of The Universe Reveals Some Big Surprises,» Starts With A Bang, 21 Jul 2020.

El 17 de julio se publicaron unos veinte artículos con todos los resultados de SDSS-IV. Un resumen general en Brad W. Lyke et al., «The Sloan Digital Sky Survey Quasar Catalog: Sixteenth Data Release,» The Astrophysical Journal Supplement (accepted), arXiv:2007.09001 [astro-ph.GA]; Cheng Zhao et al., «The Completed SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (SDSS-IV eBOSS): one thousand multi-tracer mock catalogues with redshift evolution and systematics for galaxies and quasars of the final data release,» MNRAS (submitted), arXiv:2007.08997 [astro-ph.CO]; Jiamin Hou et al., «SDSS-IV eBOSS: BAO and RSD measurements from anisotropic clustering analysis of the Quasar Sample in configuration space between redshift 0.8 and 2.2,» MNRAS (submitted), arXiv:2007.08998 [astro-ph.CO]; Richard Neveux et al., «SDSS-IV eBOSS: BAO and RSD measurements from the anisotropic power spectrum of the Quasar sample between redshift 0.8 and 2.2,» MNRAS (submitted), arXiv:2007.08999 [astro-ph.CO]; Julian E. Bautista et al., «SDSS-IV eBOSS: measurement of the BAO and growth rate of structure of the luminous red galaxy sample from the anisotropic correlation function between redshifts 0.6 and 1,» MNRAS (submitted), arXiv:2007.08993 [astro-ph.CO]; Héctor Gil-Marín et al., «SDSS-IV eBOSS: measurement of the BAO and growth rate of structure of the luminous red galaxy sample from the anisotropic power spectrum between redshifts 0.6 and 1.0,» arXiv:2007.08994 [astro-ph.CO];  Hélion du Mas des Bourboux et al.,»SDSS-IV eBOSS: Baryon acoustic oscillations with Lyman-α forests,» ApJ (submitted), arXiv:2007.08995 [astro-ph.CO]; entre otros.

[PS 16 ago 2020] En español también puedes leer a Mariana Vargas-Magaña, «Primera medición del fondo cósmico de neutrinos en el espectro de las Oscilaciones Acústicas de Bariones con  BOSS», Cosmología Observacional (2020). [/PS]

Esta figura muestra cómo ha crecido la estadística de cuásares desde la década de 1998 a 2008 (SDSS I/II), pasando por SDSS-III hasta SDSS-IV. Como puedes observar, la mayoría de los cuásares con desplazamiento el rojo z>2 se observaron en SDSS-III; la gran aportación de SDSS-IV son cuásares con 0.8 < z < 2.2, muy relevantes para la estimaciones cosmológicas usando oscilaciones acústicas de bariones (BAO).

Esta figura ilustra la idea de la distancia angular típica asociada a las BAO. En el universo primordial hubo una época en que los fotones y los bariones se movían como un fluido único en el que había perturbaciones de temperatura monopolares (que tienen asociadas oscilaciones de presión, de ahí que se hable de oscilaciones acústicas), que dominaban sobre las dipolares y de mayor orden. Cuando se desacoplaron la radiación y la materia estas oscilaciones quedaron impresas en el fondo cósmico de microondas como ondas que hoy podemos observar en la distribución de materia a gran escala. Las oscilacionees están caracterizadas por una escala (un horizonte sónico asociado a la velocidad del sonido en el fluido fotón-barión) que se puede determinar correlacionando la distancias entre pares de galaxias. Las medidas de BAO estiman dicha escala (la distancia asociada al horizonte sónico) en función del desplazamiento al rojo; así permiten estimar el parámetro de Hubble.

Los parámetros del modelo cosmológico se pueden estimar a partir de las BAO si se asume una distribución inicial de masa (es decir, la predicción cosmológica para la nucleosíntesis primordial, o BBN); así los datos BAO+BBN se pueden ajustar con diferentes modelos cosmológicos. Esta figura (izquierda) ilustra la relación entre la densidad de energía oscura y la densidad de materia observada por eBOSS mediante BAO (en azul), la observada por el fondo cósmico de microondas por Planck en temperatura y polarización (en gris) y la observada por supernovas Ia como candelas estándar (en rojo). Como se puede observar, incluso si nos olvidamos de las supernovas Ia, la existencia de la energía oscura está fuera de toda duda. La figura de la derecha muestra la predicción de la curvatura del espacio (medida en un porcentaje sobre la densidad crítica; queda claro que el universo es todo lo plano que podemos medir.

Las BAO calculadas con la distribución de galaxias cercanas, con z < 1, de SDSS-IV permiten estimar la constante de Hubble, resultando un valor intermedio entre el valor cosmológico (para galaxias con z > 1) y el astrofísico (escalera de distancias), como muestra la figura izquierda. Sin embargo, como la mayoría de las galaxias del catálogo SDSS-IV tienen z > 1, hay cierto sesgo estadístico en dicha medida; me parece mucho confiable el valor con todas las galaxias y cuásares, que resulta estar en muy buen acuerdo con las estimaciones basadas en el fondo cósmico de microondas. En la figura de la derecha se observa que el valor preferido para la ecuación de estado de la energía oscura, cuando se combinan CMB+SN+BAO es w = −1, es decir, que la energía oscura es resultado de la constante cosmológica.

Por supuesto, el valor de la constante de Hubble y el radio del horizonte sónico de las BAO están correlacionados. Así, si en lugar de ajustar los datos de BAO con BBN se ajustan con la escalera de distancias se obtiene un valor de la constante de Hubble compatible con las estimaciones astrofísicas. Pero como la mayoría de las galaxias y cuásares de SDSS-IV tienen un desplazamiento al rojo alto, esta combinación introduce un sesgo y me parece poco confiable.

El modelo cosmológico de consenso ΛCDM solo tiene seis parámetros libres; el resto de parámetros cosmológicos son derivados (se deducen del modelo). Para estimar dichos parámetros derivados mediante el ajuste de los datos observacionales hay que usar modelos que añadan dichos parámetros derivados como parámetros libres adicionales. Así se obtienen modelos cosmológicos como νΛCDM, oΛCDM, w0waCDM, y ow0waCDM en los que se varían la masa de los neutrinos (ν), la curvatura espacial (o), la ecuación de estado de la energía oscura y estas dos últimas, resp. Recuerda que en el ΛCDM se tiene w = −1, Ωk = 0 y la suma de masas de los neutrinos es un parámetro que no varía.

El valor estimado para cualquier parámetro cosmológico es dependiente del modelo y de los datos usados para estimarlo; así se obtienen tablas como la que te presento aquí (tranquilo, no es para asustar, es solo para que te des cuenta de que la cosmología rigurosa no es trivial). Así, siempre que se indique un parámetro cosmológico hay que indicar el modelo usado y el conjunto de datos usado (BAO, CMB T&P, SN, WL y RSD significan datos BAO de eBOSS, fondo cósmico de microondas en temperatura y polarización, supernovas Ia, tener en cuenta el lensado débil debido a la materia y las distorsiones espaciales del desplazamiento al rojo). Muchas veces, sobre todo en divulgación se simplifica todo y se habla de los parámetros cosmológicos como si fuesen independientes del modelo y de los datos; recuérdalo para que no te engañen.

Por cierto, dos millones de galaxias y cuásares lejanos te pueden parecer muchos, pero solo son una pequeña parte de los dos billones de galaxias que se estima que existen en el universo observable. Más aún, los datos de SDSS-IV están muy sesgados porque estamos dentro de la Vía Láctea que nos impide observar gran parte del firmamento. Este vídeo te ilustra las «cuñas» de galaxias que se han podido observar en SDSS-IV. Todo análisis cosmológico usando los datos de eBOSS se basa en el principio cosmológico, que el universo observable es isótropo y homogéneo; así lo que vemos en esas «cuñas» debería ser una representación fiable de lo que hay en el resto del universo observable (la única forma que tenemos de verificar el principio cosmológico es recurrir al fondo cósmico de microondas). Aún así, que el análisis de dichas «cuñas» conduzca a un resultado coherente con el análisis del fondo cósmico de microondas es una prueba adicional del principio cosmológico.

Y, para acabar, el problema de la constante de Hubble, es decir, que las medidas astrofísicas (z < 0.005) de la constante de Hubble difieren a más de cinco sigmas de las medidas cosmológicas (con z < 2.2 para BAO y con z ~ 1100 para el CMB) sigue sin solución. Me gustaría recordar que las estimaciones astrofísicas se basan en el uso de candelas estándar (usar la luminosidad de objetos para estimar su distancia) y que las cosmológicas usan reglas estándar (usar el diámetro angular entre parejas de objetos para estimar la distancia). Muchos cosmológos han propuesto que la discrepancia entre ambas estimaciones es debida a que usan maneras muy diferentes de medir distancias y podría ocurrir que están midiendo cosas diferentes; lo contaba muy bien Peter Coles en su blog, «Thoughts on Cosmological Distances,» In the Dark, 18 Jul 2019. Para resolver la discrepancia se necesitan más datos y nuevos métodos de medida de distancias.

El catálogo SDSS-IV tras eBOSS contiene unas dos millones de galaxias y cuásares. El sucesor de eBOSS, el instrumento DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) en el Observatorio Nacional de Kitt Peak (Arizona, Estados Unidos), observará decenas de millones. Más aún, los telescopios espaciales Euclid de la ESA y WFIRST de la NASA, así como el Observatorio Vera Rubin dejarán estos números por los suelos. En la década de los 2020 se revolucionará la cosmología observacional basada en galaxias y cuásares. Tal cantidad ingente de datos a todas las distancias ayudará a dilucidar la solución del problema de la constante de Hubble (que nació hace menos de un lustro y que no creo que aguante mucho más de un lustro).



10 Comentarios

  1. Extraordinaria entrada, clara y muy instructiva.

    Aprendí muchísimas cosas. Justo estaba por preguntar sobre el significado de que la combinación de datos BAO con los de los métodos de la escalera de distancias estuviesen de acuerdo con las medidas cosmológicas, más claro imposible. Y el video con el que complementó su comentario al respecto del tamaño de los catálogos es realmente maravilloso.

    Para los lectores de este magnífico blog: Acaba de publicarse un artículo crítico muy interesante sobre los posibles errores y sesgos en las estimaciones astrofísicas de la constante de Hubble, particularmente en la metodología de algunos artículos que firma Riess: https://arxiv.org/abs/2007.10716 . Muy recomendable

    Gracias.

  2. De nuevo nos trae Francis un post de esos que te hacen recorrer un cosquilleo por la espalda cuando se lee. Qué maravilla cómo consiqgue Francis que algo tan complejo y técnico sea comprensible para un simple aficionado como yo. Muchas gracias por el Blog.

    Por cierto, me parece increible que tengamos modelos fluidodinámicos del universo primitivo lo suficientemente potentes como para predecir las estructuras actuales (o mejor dicho al revés, que se puedan ajustar con las estructuras observadas hoy día). Absolutamente alucinante.

    Saludos.

  3. Excelente post (como siempre), Francis.

    Me gustaría preguntarte una cosa derivada de este post. Las medidas actuales predicen un universo (compatible) con una curvatura cero. Si no me equivoco, esto implicaría que el ‘saldo neto’ de energía del universo es cero. Es decir, que se formó a partir de una fluctuación cuántica sin aporte o cese de energía. Si no fuera así se vería una curvatura positiva o negativa, ¿es así?

    ¿Cómo es compatible, entonces, ese saldo neto cero con que el universo comenzara en el Big Bang en un estado puntual con energía ‘infinita’ (a falta de una teoría que pueda describir ese punto)? ¿Qué compensaría esa energía invertida en generar la materia? ¿El potencial gravitatorio?

    Seguramente estoy siendo simplista y/o me equivoque en algo importante. Espero que me lo puedas aclarar.

    Gracias y un saludo!

    1. Pablo:

      En relatividad general, el espaciotiempo es dinámico y su «campo», el tensor métrico, es dependiente del tiempo en el caso típico; en particular en el universo temprano (periodo inflacionario). Luego la «ley» de la conservación de la energía no es válida https://motls.blogspot.com/2010/08/why-and-how-energy-is-not-conserved-in.html. En principio es posible que un universo con curvatura positiva o negativa.

      Le recomiendo el libro «The Inflationary Universe» de Alan Guth. En los primeros capítulos se abordan estas cuestiones a nivel divulgativo. Es de notar que existe una versión en castellano.

      Saludos.

      1. Gracias por tu respuesta, Ramiro,

        Mi curso de GR y de Cosmología están algo oxidados, la verdad. Tendré que repasarlos.
        ¿Entonces la hipótesis del Universo de energía cero (zero-energy universe) es errónea?

        Un saludo

  4. ¿Y la web cósmica? La famosa tela de araña. ¿Ahora es circular cósmica? Parecen muchos aros olímpicos.(No soy científico, la pregunta es en serio). Un saludo.

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