El primer resultado de SPT-3G permite estimar la constante de Hubble en 67.24 ± 0.54

Por Francisco R. Villatoro, el 13 diciembre, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Planck • Science • WMAP ✎ 12

La estimación cosmológica de la constante de Hubble obtenida por el telescopio espacial Planck en 2018 es de H₀ = 67.27 ± 0.60 km/s/Mpc. Confirma este valor el primer resultado del Telescopio del Polo Sur (SPT) de tercera generación (SPT-3G) con sus primer observaciones de la polarización del fondo cósmico de microondas (CMB) en ~1500 grados cuadrados de cielo durante cuatro meses de 2018. En concreto, SPT-3G 2018 estima H₀ = 68.3 ± 1.5 km/s/Mpc, que combinado con el resultado de Planck 2018 resulta en H₀ = 67.24 ± 0.54 km/s/Mpc. SPT-3G ha observado el CMB en tres frecuencias (95, 150 y 220 GHz) con una resolución angular que cubre los multipolos entre 750 y 3000. Las observaciones en temperatura (TT) y polarización (TE y EE) son consistentes con los parámetros del modelo cosmológico obtenidos por Planck 2018. Un primer resultado espectacular de SPT-3G, que observará el cielo durante seis años y promete un resultado espectacular.

Entre los resultados de SPT-3G 2018 destaco su estimación del número efectivo de neutrinos ligeros en Neff = 3.55 ± 0.58, valor que combinado con Planck 2018 conduce a Neff = 3.00±0.18 (la predicción del modelo estándar es Neff = 3.044). Para el parámetro de lensado gravitacional se predice AL = 0.87 ± 0.11, que combinado con Planck 2018 resulta en AL = 1.078 ± 0.054, compatible a 1.5 σ con la predicción AL = 1, a diferencia del valor de Planck 2018, AL = 1.180 ± 0.065, que estaba a 2.5 σ. Los datos de SPT-3G 2018 también se pueden combinar con los datos de WMAP 2013, por ejemplo, para el índice de espectral se obtiene ns = 0.970 ± 0.016, que combinado con WMAP 2013 conduce a ns = 0.9671 ± 0.0063, que favorece la predicción inflacionaria a 5.2 σ, cuando el resultado original de WMAP 2013, ns = 0.967 ± 0.012, estaba a 2.8 σ de ella. Son muchos los nuevos resultados que se pueden destacar, pero lo más relevante es el excelente acuerdo con Planck 2018 y las predicciones del modelo cosmológico de consenso.

El legado del telescopio espacial Planck es el punto de partida de los futuros observatorios espaciales CMB-S4; mientras llegan los observatorios terrestres CMB-S3 nos ofrecerán información cosmológica de gran relevancia. El artículo es SPT-3G Collaboration, «A Measurement of the CMB Temperature Power Spectrum and Constraints on Cosmology from the SPT-3G 2018 TT/TE/EE Data Set,» arXiv:2212.05642 [astro-ph.CO] (12 Dec 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.05642.

Esta figura muestra el espectro multipolar de las correlaciones a dos puntos en temperatura (TT), en modos E de polarización (EE) y entre temperatura y modos E (TE) en el rango de multipolos 750 ≤ ℓ < 3000; recuerda que los resultados de Planck 2018 alcanzaban hasta ℓ < 2500. Los resultados más reseñables se observa en el espectro EE (figura de abajo), para el que Planck 2018 se quedaba en ℓ < 2000 presentando un gran error por encima de ℓ > 1500, mientras que el error de SPT-3G 2018 es similar al de ACT DR4 (Atacama Cosmology Telescope es su gran competidor en tierra).

Las primeras cinco líneas de esta tabla muestran la estimación de los parámetros del modelo cosmológico; falta el sexto parámetro, la profundidad óptica de reionización, que se ha fijado al valor τ = 0.0540 ± 0.0074 de Planck 2018, pues solo con multipolos altos no es posible estimarlo; las siguientes cinco líneas muestran cinco parámetros cosmológicos derivados, todos ellos estimados con SPT-3G 2018, su combinación con Planck DR3 2018, con WMAP Y9 2013, y el valor de Planck DR3 2018. Quizás te abrumen tantos números, pero solo tienes que comparar la segunda (SPT-3G 2018) y la tercera (SPT-3G 2018+Planck) columnas para ver el buen acuerdo entre ambos instrumentos, y la tercera (SPT-3G 2018+Planck) y la quinta (Planck) para ver cómo mejoran (aunque solo un poquito) los resultados de Planck gracias a los multipolos altos de SPT-3G.

Entre todos estos parámetros cosmológicos destacan los asociados al crecimiento de las grandes estructuras del universo, σ8,  la amplitud de las fluctuaciones de la densidad de materia en un esfera con volumen comóvil de 8 Mpc−1, y S8 ≡ σ8 (Ωm/0.3)1/2, su normalización con respecto a la densidad de materia. Estos parámetros son relevantes porque su estimación con Planck se encuentra unas 3 sigmas por encima de la estimación con los grandes mapeados galácticos. Los resultados de SPT-3G 2018 son σ8 = 0.797 ± 0.015, y S8 = 0.797 ± 0.042, rebajan un poco la tensión de Planck, como muestra la tabla de arriba y esta figura.

En esta tabla se comparan los ajustes cosmológicos variando el parámetro de lensado gravitacional AL, el número efectivo de neutrinos ligeros en Neff, y dicho número junto a la abundancia primordial de helio YP. Los resultados para las columnas que combinan los valores de SPT-3G 2018 + Planck nos muestran el poder de los multipolos altos para limar asperezas entre el modelo cosmológico de consenso y las estimaciones de Planck 2018; la tensión para AL a 2.8 sigmas, que ha generado muchísimos artículos teóricos, prácticamente desaparece al pasar a 1.5 sigmas.

En resumen, los resultados de SPT-3G 2018 son compatibles con el modelo cosmológico de consenso y rebajan las tensiones un poquito las tensiones entre los datos de Planck 2018 y los mapeados galácticos de las grandes estructuras del universo. Por supuesto, se trata de los primeros resultados (cuatro meses es poco comparado con seis años) y lo más relevante es lo que auguran para los próximos años. La cosmología de precisión ha revolucionado nuestro conocimiento del universo y lo seguirá haciendo a la espera de la próxima generación de observatorios CMB S4.



12 Comentarios

  1. Tengo unas dudas sobre el modelo cosmológico que seguro saben resolvérmelas:

    1) Se dice que la inflación es necesaria entre otras cosas para justificar que el universo sea tan homégeneo. Entonces, fuera de la zona que estuvo en equilibrio térmico inicialmente, mas allá del universo observable, ¿el universo debe ser bastante diferente?

    2) En las mediciones resulta que el universo es plano, pero si su curvatura no es exactamente cero, sea cual sea la cifra decimal, el universo ¿podrá ser abierto / cerrado?.

    3) Si resulta que el universo es cerrado, independientemente de que la expansión aumente por efecto de la energía oscura, ¿terminará colapsando?

    1. 1) La respuesta varía según el marco teórico considerado. Por ejemplo, si nos atenemos a la clasificación de Max Tegmark, el contexto del Multiverso de Nivel I ofrece una respuesta…

      https://es.wikipedia.org/wiki/Multiverso#Clasificación_de_Tegmark

      …y el contexto del Multiverso de Nivel II ofrece otra respuesta MUY distinta…

      https://francis.naukas.com/2014/03/17/la-inflacion-cosmica-y-el-multiverso-inflacionario/

      Nótese que hasta ahí se puede decir que el término «Multiverso» equivale más o menos a «Universo Total», siendo nuestro universo observable una pequeña región o dominio de dicho «Universo Total». En cambio, a partir del Nivel III el asunto se desmadra tornándose tan o más «esotérico» que el Multiverso de Marvel 😉

      .

      2) Es «abierto» si su curvatura es nula (plana) o negativa… y es «cerrado» si su curvatura es positiva…

      https://en.wikipedia.org/wiki/Shape_of_the_universe#Curvature_of_the_universe

      Nótese que la curvatura depende de Omega… que es la suma de tres Omegas… siendo la tercera de ellas Omega_Lambda, que es la constante cosmológica, vale decir, el efecto de la energía oscura… o sea que tu pregunta 3 «tiene trampa» 😉

      .

      3) La respuesta «con trampa» es la curva roja de aquí…

      https://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmo_03.htm

      …la cual representa un universo «cerrado» («esférico») que eventualmente revierte su expansión y colapsa en un Big Crunch. Pero, como el propio texto aclara, eso es asumiendo una constante cosmológica cero, vale decir, sin tener en cuenta («independientemente de») el efecto de la energía oscura.

      La respuesta «sin trampa» es que ese universo «could expand forever»… (traduzco) «podría expandirse eternamente aunque la densidad sea mayor que la densidad crítica debido al efecto gravitatorio repulsivo de la constante cosmológica».

      1. Gracias. Muy interesantes los multiversos de nivel I, II y IV. En cambio, el multiverso de nivel III (el que supone por cada decisión se genera otro universo) nunca me ha gustado. El de nivel IV es el que me parece más sugestivo: si de la «no existencia» ha surgido una vez un universo perfectamente consistente, es razonable pensar que pudieran surgir otros universos, siempre que sean autoconsistentes.

    2. 2) Las ecuaciones de Friedman para topología «no extraña» nos dicen que si el ratio de densidad del universo “Omega” es:

      Omega 1 universo esférico, finito

      Según las mejores medidas de la Misión Planck, el ratio de densidad del universo es

      Omega = 0.9993 +/- 0.0019

      Por lo tanto, la medida no descarta ninguna de las 3 posibilidades.

      3) Aunque el universo sea cerrado, por ejemplo Omega=0.9993+0.0019=1.0012 con los valores medidos por Planck:

      Omega materia=0.3111 +/- 0.0056
      Omega Lambda=0.6889 +/- 0.0056

      Con ese valor tan alto de la contribución de la constante cosmológica Lambda, la expansión no se detendrá nunca, aunque el universo fuese esférico-finito.
      Si te interesan estos temas puedes encontrar mucha información consultando el foro de “Relatividad y Cosmología” de La web de Física, por ejemplo:

      https://forum.lawebdefisica.com/forum/el-aula/relatividad-y-cosmología/42692-duda-con-la-métrica-flrw?p=293275#post293275

      Saludos

      1. Francis, no sé porqué, el editor no muestra frases en las que he escrito los símbolos «mayor que» o «menor que», por eso repito aquí el primer párrafo que no aparece tal como yo lo había escrito en mi post de arriba:

        Las ecuaciones de Friedman para topología no extraña nos dicen que si el ratio de densidad del universo “Omega” es:

        Omega menor que 1 universo hiperbólico, infinito
        Omega = 1 universo plano, infinito
        Omega mayor que 1 universo esférico, finito

        Saludos.

        1. Gracias, me queda claro. Solo estaba teniendo en cuenta la materia y la geometría actual como predictores de la expansión en el futuro. Pero también está la energía oscura que hace que la expansión y la geometría cambien sobre la marcha. El enlace que pones también lo deja muy claro.

      2. Dice Albert: «Las ecuaciones de Friedman para topología «no extraña» …»

        A este respecto, cabe anotar que el mismo Fridman, en su artículo de 1924 Sobre la posibilidad de un universo con un espacio de curvatura negativa constante, no descarta la posibilidad de un universo con topología no trivial y concluye:

        «La formulación que acabamos de exponer sobre concepto de puntos coincidentes y no coincidentes puede conducir a que los espacios con curvatura constante positiva son finitos; sin embargo, el criterio mencionado no permite concluir sobre la finitud de los espacios de curvatura constante negativa. Esta es la razón por la que, en nuestra opinión, las ecuaciones de Einstein, sin suposiciones suplementarias, aún no son suficientes para sacar una conclusión sobre la finitud de nuestro universo.»

        Desafortunadamente, no logré encontrar de acceso gratuito el texto completo de este artículo de Fridman.
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