En 2018 se publicó en la revista MNRAS un artículo que especulaba que el fondo cósmico de microondas (CMB) podría ser la emisión térmica del polvo intergaláctico. Un oyente del podcast Coffee Break: Señal y Ruido, @HectorCester82, nos preguntó si dicho artículo ponía en peligro el modelo cosmológico estándar. Contesté de forma muy breve: La idea del autor es mantener el modelo cosmológico, pero cambiando su contenido; esta idea contradice todas las observaciones cosmológicas para z > 4; la idea está refutada, fuera de toda duda. Y apostillé que observamos 2 × 10⁹ fotones por cada barión, si cada uno de esos fotones se sustituye por un barión que lo emite, tú no existirías (el universo ya habría colapsado). Este tipo de respuesta tan breve suele ser mi manera de combatir el principio de Brandolini. Muchos oyentes del podcast prefieren una respuesta más larga, en la línea de dicho principio. Héctor Socas-Navarro ha recogido el guante y ha ofrecido dicha respuesta [Google Doc]. Me parece que su esfuerzo merece ser publicado, de ahí esta pieza invitada en este blog. ¡Que la disfrutes!
El oyente preguntaba para un amigo, estudiante de un máster de filosofía de la cosmología, que quizás esté estudiando el libro de Martín López-Corredoira, «Fundamental Ideas in Cosmology. Scientific, philosophical and sociological critical perspectives,» IOP Publishing (2022), que cita como alternativa al origen del CMB el artículo en liza de Václav Vavryčuk, «Universe opacity and CMB,» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) 478: 283-301 (2018), doi: https://doi.org/10.1093/mnras/sty974, arXiv:1804.06875 [astro-ph.CO] (18 Apr 2018); recomiendo la entrevista divulgativa al autor en Václav Vavryčuk, Jana Žďárská, «Cosmic microwave background as thermal radiation of intergalactic dust?» Conference Cosmology on Small Scales 2020 [PDF]. El artículo tuvo varias secuelas, como Vaclav Vavrycuk, «Universe opacity and Type Ia supernova dimming,» MNRAS 489: L63-L68 (2019), doi: https://doi.org/10.1093/mnrasl/slz128, arXiv:1909.05102 [astro-ph.CO] (09 Sep 2019); Vaclav Vavrycuk, Pavel Kroupa, «The failure of testing for cosmic opacity via the distance-duality relation,» MNRAS 497: 378-388 (2020), doi: https://doi.org/10.1093/mnras/staa1936, arXiv:2007.10472 [astro-ph.CO] (20 Jul 2020); Václav Vavryčuk, «Considering light-matter interactions in the Friedmann equations,» Proceedings of the Royal Society A 478: 20220045 (2022), doi: https://doi.org/10.1098/rspa.2022.0045, arXiv:2005.14190 [physics.gen-ph] (22 May 2020); entre otros artículos. Como dice Vavryčuk en una de sus charlas [PDF]: «una especulación repetida mil veces acaba como teoría respetada» (por desgracia para él, todavía no la ha repetido mil veces).
Héctor enmarca su respuesta en el contexto del trabajo de Pavel Kroupa, el mondiano al que criticamos en bastante detalle en el episodio 378 de Coffee Break, minuto 57:00 (LCMF, 29 jul 2022; CBSyR, 28 jul 2022), que ha sido coautor de Václav Vavryčuk en otro artículo relacionado. «Mucho nos tememos que Kroupa decidió ya hace algunos años tirar por la vía del sensacionalismo, lo que por supuesto le ha valido hacerse muy mediático». Por cierto, las figuras de esta pieza están extraídas de presentaciones de Vavryčuk sobre su especulación.
«Respecto al trabajo de Vavrycuk, si miras la repercusión de su artículo verás que en los seis años que lleva publicado solo tiene 10 citas, de las cuales, excluyendo las autocitas del propio Vavrycuk, solamente hay una publicada en un journal importante, y esa una es precisamente del grupo de Kroupa. Es decir, su propuesta no ha convencido absolutamente a nadie más en la comunidad científica. Artículos como estos se publican a miles, todo el mundo quiere ser el nuevo Einstein que revolucione la física con una idea genial. Este artículo es de categoría que yo llamo un «¿y si…?». Pero este tipo de propuestas radicales no solo tienen que ser posibles, sino además tienen que encajar en todo un enorme cuerpo de conocimiento con un gran número de observaciones y efectos relacionados. ¿Puede el CMB ser debido a polvo intergaláctico? Yo creo que esta idea no solo es infundada sino completamente disparatada e incompatible con lo que sabemos, y se me ocurren no una sino muchas razones (seguramente hay más):
– No hay prácticamente polvo intergaláctico. El polvo está hecho de granos sólidos sueltos (lo que requiere temperaturas muy bajas para condensar) y estos granos se componen fundamentalmente de silicatos, hechos fundamentalmente de Si y O, pudiendo incluir otros elementos como Al, Fe, Ca, etc. Estos elementos no están presentes en cantidades significativas en el medio intergaláctico, que es un plasma extremadamente poco denso formado principalmente por H y He. Los elementos necesarios para el polvo se crean en las estrellas así que solo puede haber polvo allí donde hay estrellas cerca.
– En las inmediaciones de las galaxias podríamos tener cantidades modestas de polvo que haya sido expulsado por procesos galácticos. Sin embargo estos procesos tienden a ser altamente violentos y energéticos (supernovas o chorros en agujeros negros), lo cual tendería a vaporizar los granos de polvo. También las elevadas temperaturas del medio intergaláctico (millones de Kelvin), lo que en realidad implica que las partículas que lo pueblan son altamente energéticas y sus impactos con los granos terminarían por vaporizarlos (este proceso se llama sputtering). Es muy improbable que el polvo expulsado por una galaxia sobreviva al proceso de expulsión y los granos que lo hagan acabarían siendo vaporizados con el tiempo por procesos como el sputtering.
– Pero supongamos que hubiera polvo intergaláctico en grandes cantidades. Este polvo tendría que estar cerca de las galaxias, porque los elementos necesarios para producirlo provienen de estrellas. En ese caso veríamos una estructura espacial del CMB. Habría más emisión donde hay supercúmulos de galaxias y menos emisión donde hay supervacíos. Sin embargo, esto no es lo que se observa. Al contrario, el CMB es extremadamente homogéneo. Sus fluctuaciones son del orden de la diezmilésima parte de su valor.
– El espectro del CMB no presenta bandas de absorción correspondientes a silicatos, no presenta ningún rasgo característico del polvo ni de nada. De hecho es un espectro de emisión de cuerpo negro tan perfecto que ni en los laboratorios de la Tierra podemos producir uno tan preciso. El espectro de emisión del polvo sería diferente. En cambio, se ha observado la línea del hidrógeno neutro de 21 cm (1440 MHz) formada en la época del amanecer cósmico (con su correspondiente desplazamiento al rojo de casi 1000), poco después de la recombinación.
– Si hubiera polvo intergaláctico, este polvo produciría no solo emisión térmica sino también emisión de sincrotrón, como la que produce el polvo galáctico. Sin embargo no se observa esta emisión.
– Si hubiera polvo intergaláctico veríamos que su abundancia depende de la distancia, como lo hace la metalicidad de las galaxias. En el universo actual habría más polvo y según vamos a z mayores, tendríamos menos. Sin embargo el CMB es extremadamente homogéneo por todo el cielo.
– Las anisotropías a gran escala en el CMB son consistentes con las predicciones del modelo estándar y no pueden ser explicadas por la distribución de polvo intergaláctico, que sería irregular y no produciría las fluctuaciones precisas observadas en el espectro de potencia angular del CMB.
– La polarización del CMB, particularmente el patrón de modos E, está en consonancia con las predicciones del modelo estándar de la cosmología para la recombinación. El polvo intergaláctico podría causar alguna polarización, pero no reproduciría el patrón detallado que observamos.
– Las oscilaciones acústicas de bariones se explican por la formación del CMB en el plasma primordial antes de la recombinación. Esta observación no puede explicarse mediante la distribución de polvo.
– El efecto Sunyaev-Zel’dovich, que es un scattering Compton inverso de los fotones del CMB por el gas caliente en cúmulos de galaxias, produce tres efectos (el efecto térmico, el efecto cinético y el efecto de polarización) que alteran la luz del CMB en una forma muy característica cuando atraviesa los cúmulos de galaxias. Este efecto se ha medido y es consistente con la cosmología estándar, no con emisión térmica de polvo. Aplicando el S-Z a cúmulos muy lejanos podemos verificar que los fotones del CMB vienen incluso de más allá y, por tanto, tienen origen primordial y no han sido generados por polvo más cercano.
– Lo mismo se puede decir sobre el efecto integrado Sachs-Wolfe, por el cual los fotones del CMB ganan energía neta al entrar y luego salir del potencial gravitatorio de un cúmulo de galaxias debido a que el cúmulo se ha expandido durante el paso de la luz y, por lo tanto, la barrera de salida del potencial es menor que la caída de la entrada. Este efecto también se ha observado e implica un origen primordial de los fotones del CMB.
– El CMB es consistente con múltiples líneas de evidencia en cosmología, incluyendo la nucleosíntesis primordial y la distribución de la estructura a gran escala del universo. La emisión de polvo intergaláctico no proporcionaría una explicación coherente para todos estos fenómenos observados.
En definitiva, esta es una idea de tantas que se publican y que a día de hoy no tiene ningún fundamento científico».
Sí que es popular tu blog, que ya es una franquicia XD
Según el artículo las fluctuaciones del CMB son del orden de la diezmilésima parte de su valor. Tenía entendido que eran del orden de la cienmilésima.
César, los resultados del telescopio espacial Planck estiman la temperatura del CMB en 2.72548 ± 0.00057 K, cuya incertidumbre son dos partes por diez mil. De hecho, si miras la escala de colores (colormap) de las figuras de Planck con el mapa de anisotropías térmicas del CMB verás que tienen como intervalo 200 µK (en algunos mapas se usa 300 µK).
Siempre me quedó el 1/100.000 del número Q (sería la magnitud de rugosidad o inhomogeneidad del universo) del libro Seis Números Nada Más de Martin Rees y siempre creí que la amplitud del CMB varía en esa proporción.
Francis, podrás clarificar la relación, si existe, entre ese parámetro Q del que habla Rees y y esas fluctuaciones del CMB de que hablas tú aquí? Abrazo.
César, Rees en «Seis Números» (2000), se refiere a los 6 parámetros del modelo cosmológico LCDM, que se determinan a partir del CMB, pero que no son parámetros físicos del CMB. Hoy en día ningún parámetro se llama Q, en su lugar se usa el parámetro As (la A por amplitud y la s por escalar). Este libro de Rees está obsoleto.
Rees en su capítulo 8 habla de las semillas de las grandes estructuras cósmicas y llama Q a la amplitud primordial de las fluctuaciones en la densidad de la materia (usa «rugosidad» que no es un término técnico). Rees cita datos de COBE para afirmar que Q ~ 10⁻⁵. Los últimos datos de WMAP y Planck indican que su valor es algo mayor, Q ~ 2.2 x 10⁻⁵.
Hoy en día (y en este blog) en el LCDM se usa el parámetro As para referirse a las fluctuaciones primordiales en la densidad de la materia, en concreto, la amplitud de la ley de potencia que describe estas fluctuaciones, P(k) = As (k/k0)^(ns-1). El obsoleto parámetro Q se calculaba para k = 0.05 /Mpc; con el valor actual de As ~ 2.1 × 10⁻⁹, siendo Q² ~ 0.2 As, se obtiene un valor Q ~ 2 x 10⁻⁵.
Cuando se habla de fluctuaciones del CMB (que son fotones), se refiere a las fluctuaciones térmicas de las anisotropías del CMB. Su amplitud no es un parámetro del modelo cosmológico. Y, como es obvio, no se debe confundir con Q o con As.
No entendí nada,¿Significa que el universo es más joven o viejo?.
Suensudndk, no entiendo, en ningún momento se menciona la edad del universo. No ha cambiado.
Diría que Suensudnk entendió erróneamente que al especular si el cmb era polvo intergaláctico, eso quería decir que ya había galaxias (y por tanto polvo) al inicio del universo, pero nada que ver. Es polvo intergaláctico que está presente «ahora» y que produciría el cmb de manera ilusoria, digamos. (una chorrada)
Sinceramente, no entiendo por qué tanta gente se empeña tanto en negar el Big Bang, la inflación, la energía oscura y la materia oscura con «teorías» que son bastante más difíciles de sostener que la hipótesis más elegante y más lógica. Se necesitaría un tuneado fino —expresado de forma magistral en las palabras del amigo Héctor— demasiado ajustado, y sería muy, muy poco probable. Exactamente, la cantidad de pruebas acumuladas de forma independiente hace que la posibilidad de que tales datos sean errores o fluctuaciones casuales sea irrisoria. Así que, de momento y hasta nuevas irrefutables pruebas, me pongo a estudiar el universo tal y como lo entendemos. A cada uno, la crisis de los cuarenta le da por las cosas más desesperadas; a mí me dio por estudiar cosmología, ¡ajaja!
Hay propuestas absurdas (en forma de papers) que yo no me molestaría en rebatir. De hecho, pienso que esas propuestas descabelladas en forma de artículos pseudocientíficos confunden a la gente y pueden contribuir al descrédito de la propia ciencia.
«por qué tanta gente se empeña tanto en negar el Big Bang», y no hay que pensar mucho, seguro que somos personas con «problemas» que buscan llamar la atención, incapaces de razonar, etc… ahora te hago una pregunta, imagina que estás en el centro de un globo, la luz que viene del borde del globo, la detectas a frecuencia «x», hasta ahí todo bien, pero… que crees que pasaría con la luz que sale de lugares que están entre ti y el borde?, a que frecuencias las verías?, cual sería finalmente tu observación?.
PD1: no voy a mencionar del ACDM, tiene más problemas físicos que yo mentales, por ejemplo:
Toda la masa del universo contenida en el tamaño de un melón (no quiero ir más atras).
Si el universo está en expansión acelerada, es «cosa», a la que nos referimos como «energía obscura», tiene que estar creandose de la nada, (esto violaría un poquitín, uno de los pilares fundamentales de la física).
Y… no sigo porque soy taxista!!! jaja.
PD2: No estudies, razona, no creas, cuestiona, así siempre estarás un paso más cerca de la verdad.
No es que crea que a alguien le importe mi comentario, pero debo decir que tiene su lado erróneo, la luz emitida desde cualquier lugar ubicado entre ese supuesto borde y nosotros… nos habría alcanzado en nuestro pasado.
Te equivocas, Marce, no existe ese supuesto borde. El big bang ocurrió en todos los lugares del universo de forma simulltánea. A nosotros nos llega ahora la luz del CMB desde una superficie, pues en cada instante del pasado nos llegó desde una superficie diferente y en cada instante del futuro nos llegará desde otra superficie. Pero no debes confundir dicha superficie con un inexistente borde.
En un hilo de comentarios (del cual te estoy agradecido) has hablado del parámetro As y el obsoleto Q en relación a inhomogeneidades primordiales del universo. Tengo entendido que sin esas variaciones originarias, que han sido la semilla de la formación de estructuras a gran escala, la materia bariónica del universo sería probablemente una nube homogénea de hidrógeno gaseoso en la que nada interesante ocurriría. También que esas irregularidades del universo primitivo tendrían origen en fluctuaciones cuánticas amplificadas por la inflación y la expansión del universo.
¿Hay algún modo de describir estadísticamente la magnitud de esas irregularidades a partir del CMB y la cartografía del universo a gran escala que permita algún tipo de correlación cuantitativa con la naturaleza de esas fluctuaciones habilitadas por el principio de indeterminación de Heisenberg? Veo en estos conceptos una correlación causal maravillosa entre el comportamiento de la naturaleza a escala subatómica y su estructura a la escala más grande observable y me pregunto si hay un modo riguroso de relacionar ambos tipos de «rugosidades».
También entiendo que el camino entre una estructura y la otra no es lineal. Se me vienen a la mente las BAO (oscilaciones acústicas de bariones) que entiendo no afectarían más que de modo indirecto a la distribución de materia oscura (que ignoro qué tan bien cartografiada está). Mi pregunta es si existe una descripción matemática rigurosa de que permita reconstruir de modo confiable la cadena causal entre fluctuaciones cuánticas primordiales, irregularidades (uso términos amplios ya que entiendo no es lo mismo anisotropía que inhomogeneidad) en el CMB y la estructura del universo a gran escala. Un abrazo. Te sigo desde 2010.