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Tension entre CMB y lentes gravitacionales: ¿nueva física?

Funciones de correlación tomográficas de lentes gravitacionales medidas por KiDS. Las predicciones del modelo LCDM se muestran como lineas contínuas

Funciones de correlación tomográficas de lentes gravitacionales medidas por KiDS. Cada panel muestra una de las correlaciones cruzadas entre distintos intervalos de redshift. Las predicciones del modelo cosmológico estándar se muestran como lineas continuas.

En astrobitos anteriores (ej. 1, ej. 2) hemos explorado algunas de las ventajas de combinar observaciones cosmológicas de distinta naturaleza, aunque en estas ocasiones nos centramos sobre todo en cómo estas combinaciones nos permiten reducir el efecto de varias fuentes de errores sistemáticos que afectan individualmente a algunas observaciones. Hoy sin embargo nos enfrentaremos a la pregunta: ¿qué pasa cuando los parámetros medidos a partir de distintas observaciones parecen ser incompatibles?

En un artículo anterior, los miembros de la colaboración KiDS (Kilo-Degree Survey), presentaron el análisis de referencia de sus datos, asumiendo el modelo estándar cosmológico, conocido como ΛCDM. En este modelo, el contenido energético del Universo está dominado por una constante cosmológica (es decir una densidad de energía que permanece constante a pesar de la expansión del Universo) y en menor medida por “materia oscura” sin presión. En ese artículo, los autores mostraron cómo sus datos parecían estar en moderado desacuerdo con los resultados de las observaciones del fondo de radiación de microondas (CMB) del satélite Planck dentro de este mismo modelo. En el artículo que hoy comentamos, los autores exploran si sería posible reconciliar ambos conjuntos de datos al considerar desviaciones con respecto al modelo ΛCDM.

KiDS

Hablemos primero de la colaboración KiDS. KiDS es un catálogo óptico fotométrico de galaxias que ha observado en torno a 14 millones de objetos en cuatro bandas de frecuencia. Estas observaciones se realizaron desde el telescopio VLT, en el Observatorio Europeo Austral. La propiedad más importante de KiDS es su buena resolución angular, que permite cuantificar las formas y orientaciones de las galaxias. La forma que observamos de un objeto lejano se ve modificada con respecto a su forma real debido al efecto de lente gravitacional causado por las estructuras existentes a lo largo de la linea de visión. Por lo tanto, estudiando las correlaciones entre las formas de distintas galaxias es posible cuantificar las propiedades de las perturbaciones en la densidad de materia del Universo.

Las observaciones de KiDS cubren aproximadamente 450 grados cuadrados del cielo, divididos dos zonas distintas. Estos datos se condensaron después en lo que se conoce como “funciones de correlación”, que cuantifican la correlación entre las formas de pares de galaxias a una determinada distancia. La forma especifica de esta función depende directamente de la distribución de materia a lo largo de la linea de visión, y por tanto puede utilizarse para estudiar las propiedades del campo de densidad del Universo. Este análisis fue de naturaleza “tomográfica”, es decir, teniendo en cuenta la correlacion entre galaxias a distinto redshift (un observable cosmológico que puede traducirse en una distancia respecto al observador). La Figura 1 muestra algunas de estas correlaciones, junto con la predicción teórica del modelo ΛCDM.

Tensión con Planck

Contornos de confianza para los datos de referencia de KiDS (verde) y Planck (rojo). Imagen obtenida del artículo original.

Contornos de confianza para los datos de referencia de KiDS (verde) y Planck (rojo). Imagen obtenida del artículo original.

Los resultados del análisis de estos datos pueden resumirse en términos de dos parámetros cosmológicos: la abundancia relativa de materia no-relativista ΩM y la varianza de las fluctuaciones en la densidad de materia, caracterizada por la cantidad σ8. Es de esperar que ambos parámetros estén degenerados en cierta medida en relación a los datos de lentes gravitacionales, dado que un incremento en cualquiera de ellos tiene un efecto similar sobre las propiedades de la distribución de materia. Ésto se ilustra en la Figura 2, que muestra los contornos de confianza para ambos parámetros en el análisis de referencia de KiDS (contornos verdes). Por otra parte, la figura muestra también, en rojo/rosa, los resultados de las mediciones del CMB realizadas por Planck.

La distinta naturaleza de las observaciones de Planck y KiDS implica que ambos conjuntos de datos son prácticamente independientes, y sin embargo existe una ligera tensión entre los dos estudios. Aunque estadísticamente esta tensión no es dramática (apenas 2.3 desviaciones estándar – compatible con fluctuaciones aleatorias), y podría deberse a errores sistemáticos desconocidos en los datos de lentes gravitacionales, los datos de otras colaboraciones, como CFHTLenS, han mostrado discrepancias similares. Cabe, por lo tanto, preguntarse si estos son los primeros indicios de una desviación fundamental con respecto al modelo estándar ΛCDM. Éste es el objetivo del artículo de hoy.

Modelos cosmológicos alternativos

En concreto, los autores del artículo estudiaron dos posibilidades: que esta discrepancia se deba a efectos sistemáticos y que se deba a extensiones de ΛCDM. Los autores muestran cómo los resultados parecen ser bastante robustos en el primer caso (al menos respecto a los sistemáticos estudiados en el artículo), y por lo tanto nos centraremos en la segunda posibilidad. En este caso el artículo presenta tres posibles extensiones del modelo estándar:

  • La presencia de curvatura: si bien es común suponer que nuestro universo es geométricamente plano (del mismo modo que la superficie de la pantalla de tu portátil es plana), es posible, dentro de la teoría de Relatividad General, generar universos con una pequeña curvatura (como una versión tri-dimensional de una pelota). Sin embargo, la inclusión de este parámetro en el análisis no es suficiente para reducir la tension entre KiDS y Planck.
  • La masa de los neutrinos: las propiedades de las partículas fundamentales dominan la expansión del Universo así como la evolución de la distribución de materia, y en concreto la masa de los neutrinos puede modificar sustancialmente esta última. De hecho, hay indicios de que los datos cosmológicos que se obtendrán en la próxima década serán capaces de detectar esta masa con mayor precisión que los experimentos de física de partículas. En esta caso, sin embargo, la masa de los neutrinos tampoco parece explicar la discrepancia entre el CMB y las lentes gravitacionales.
  • La energía oscura: la constante cosmológica del modelo ΛCDM es sólamente uno de los posibles modelos de energía oscura (aunque discutiblemente sea el modelo con motivación más sólida). Otros modelos, por ejemplo, los modelos de quintaesencia, predicen una expansión acelerada similar a la causada por la constante cosmológica pero con una evolución distinta para las perturbaciones de materia. Estos modelos suelen describirse en términos de una cantidad, w, denominada “ecuación de estado” de la energía oscura, que describe esta evolución. Los autores del artículos mostraron cómo la inclusión de este parámetro en el análisis los datos de KiDS es capaz de resolver la discrepancia entre KiDS y Planck. Los contornos de confianza en este caso se muestran en la Figura 3.
contornos de confianza para los datos de KiDS (verde) y Planck (rojo) al considerar la ecuación de estado de la energía oscura, w, como un parámetro libre. Los resultados en el análisis estándar LCDM se muestran como lineas entrecortadas para ambos casos. La inclusión de este parámetro extra parece resolver la tensión existente entre ambos conjuntos de datos. Imagen obtenida del artículo original.

contornos de confianza para los datos de KiDS (verde) y Planck (rojo) al considerar la ecuación de estado de la energía oscura, w, como un parámetro libre. Los resultados en el análisis estándar se muestran como lineas entrecortadas para ambos casos. La inclusión de este parámetro extra parece resolver la tensión existente entre ambos conjuntos de datos. Imagen obtenida del artículo original.

A pesar de este resultado, cabe preguntarse: ¿es esta mejora en el acuerdo entre ambos experimentos debida a que este modelo es preferible respecto a ΛCDM? ¿O se debe este resultado simplemente a un ensanchamiento en los contornos de confianza causado por la inclusión de un grado de libertad extra en el modelo? Aunque esta pregunta no es siempre fácil de responder, existen varios métodos para comparar distintos modelos, y los autores utilizaron dos de estos métodos para mostrar que, en efecto, ¡el modelo de energía oscura con w variable es estadísticamente preferible respecto a ΛCDM!

Como ya hemos mencionado, los datos de KiDS y Planck son sólo marginalmente incompatibles, y sólo los datos de futuros experimentos como DES podrán arrojar luz sobre esta discrepancia. Sin embargo, de persistir, esta tensión podría marcar el inicio de una gran revolución en física fundamental.

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