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La energía oscura se oculta

Entre las muchas teorías que tratan de explicar la naturaleza de la energía oscura se encuentran la quintaesencia y los campos fantasmas, dos hipótesis formuladas a partir de los datos de satélites como Planck y WMAP. Ahora investigadores de Barcelona y Atenas plantean que ambas posibilidades son solo un espejismo en las observaciones y es el vacío cuántico el que podría estar detrás de esa energía que mueve nuestro universo.

Los cosmólogos consideran que unas tres cuartas partes del universo están constituidas por una misteriosa energía oscura que explicaría su expansión acelerada. La verdad es que no saben lo que puede ser, así que plantean posibles soluciones.

Una es que exista la quintaesencia, un agente invisible gravitatorio que en lugar de atraer, repele y acelera la expansión del cosmos. Desde el mundo clásico hasta la Edad Media, ese término hacía referencia al éter o quinto elemento de la naturaleza, junto a la  tierra, el agua, el fuego y el aire.
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Nuevo objeto en la nube de Oort interior

Descubren un nuevo objeto más allá del cinturón de Kuiper que, junto a Sedna, eleva el número de objetos descubiertos en la nube de Oort interior a dos de los miles que componen dicha nube.

By NASA (NASA) [Public domain or Public domain], via Wikimedia Commons

Conocemos mejor otras galaxias que algunas regiones lejanas de nuestro Sistema Solar. El problema es que cualquier objeto que orbite muy lejos del Sol apenas recibe luz de él y esa luz reflejada tiene que realizar el camino de vuelta hasta nosotros si queremos detectarla. En ese camino su intensidad también se reduce con el inverso del cuadrado de la distancia.
Alrededor del Sól, mucho más allá de órbita de Plutón, se encuentra una región esférica denominada nube de Oort. Nadie ha vito dicha nube, sólo sus enviados en forma de cometas nos recuerdan que debe de existir. Se denomina así porque fue el astrónomo holandés Jan Hendrik Oort (1900-1992) el primero que propuso su existencia. Además de eso, Jan Hendrik Oort fue la primera persona en encontrar pruebas de la materia oscura, de proponer el halo galáctico y de contabilizar las estrellas de la Vía Láctea y sus movimientos.

Más allá de Neptuno se extiende un anillo denominado cinturón de Kuiper del que Plutón forma parte. En los últimos años se han encontrados algunos objetos interesantes en él, en concreto planetas enanos. Pero la nube de Oort, incluso la nube de Oort interior se encuentra mucho más allá, por lo que encontrar objetos allí es más difícil.
Pues bien, recientemente se ha anunciado la presencia del objeto denominado 2012 VP113 en la nube de Oort interior. Es el objeto del Sistema Solar más distante conocido y se encuentra más allá de la órbita de Sedna, que era el más lejano conocido hasta ese momento. Sedna se encuentra significativamente más allá del borde exterior del cinturón de Kuiper, por lo que pertenece también a la nube de Oort interior. El cinturón de Kuiper se extiende entre las 30 y 50 unidades astronómicas (UA) y Sedna se encuentra a 76 UA. El punto más interior de la órbita de 2012 VP113 se encuentra a 80 UA. Por tanto, estos dos objetos pertenecerían a la nube de Oort interior. Para hacernos una idea, recordemos que los planetas jovianos se encuentran entre las 5 y las 30 UA.
La nube de Oort exterior se extiende más allá de las 1500 UA, por lo que la gravedad del Sol que sienten los objetos allí ubicados es débil, por esta razón son fácilmente influenciables por las estrellas cercanas. Esto hace que sus órbitas puedan cambiar y que los objetos allí presentes sean lanzados al Sistema Solar interior en forma de lo que llamamos cometas. Pero los objetos de la nube de Oort interior son menos influenciables, tanto por estrellas externas como por los planetas jovianos del interior, por lo que mantienen órbitas mucho más estables. Sus órbitas serían, por tanto, primordiales y no habrían cambiando desde la formación del Sistema Solar.
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Sobre el significado del resultado de BICEP2

El descubrimiento de los modos-B primordiales permite refutar la mayoría de los modelos cosmológicos y abre una nueva ventana de observación.

Hay momentos en la historia de la ciencia en los que los individuos conscientes de un gran avance se sienten privilegiados. Esto es lo que ha pasado estos días a raíz de haberse descubierto los supuestos modos-B cosmológicos en el fondo cósmico de microondas por parte de BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). Constituyen lo que se ha llamado la “pistola humeante” que delata la inflación cósmica, idea esta la de la inflación propuesta hace 30 años por Alan Guth. Es un descubrimiento a la misma altura que el Higgs y probablemente merezca el premio Nobel.
Después de la irrupción de la noticia han venido los análisis por parte de la comunidad científica internacional, en donde hay bastante entusiasmo con estos resultados.
Lo primero que hay que decir es que se trata de un primer análisis que requiere de la confirmación posterior por parte de otros experimentos, especialmente por parte de la misión Planck. No va a ser fácil, pues la misión Planck no fue especialmente diseñada para medir estos modos-B.
El problema es el peso que se puede poner en órbita. BICEP2 compensa el tener que observar a través de la atmósfera terrestre sólo un trozo del cielo con un instrumental que puede ser tan pesado como se quiera. La detección está basada en bolómetros, que miden básicamente el cambio de temperatura inducido sobre un material al incidir sobre él las ondas electromagnéticas. El bolómetro más sencillo consiste en una resistencia que cambia su resistividad al calentarse. Pero los bolómetros más precisos están basados en materiales superconductores.

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Los físicos cruzan los dedos para que el satélite Planck confirme el eco del Big Bang

El anuncio de la primera evidencia sobre la inflación cósmica y las ondas gravitatorias cuánticas que surgieron en los inicios del universo ha sido valorado como uno de los grandes descubrimientos del siglo, un hito extraordinario equiparable al del bosón de Higgs. Sinc ha hablado con grandes expertos para entender su alcance y saber cuándo se confirmará. Todas las miradas están puestas ahora en los resultados del satélite Planck.

 El anuncio de la primera evidencia sobre la inflación cósmica y las ondas gravitatorias cuánticas que surgieron tras el Big Bang ha sido valorada por los científicos como uno de los grandes descubrimientos del siglo, un hallazgo extraordinario equiparable al del famoso bosón de Higgs.  Sinc ha hablado con algunos de estos expertos para entender mejor el alcance del descubrimiento y saber cuándo se podría confirmar. Todas las miradas están puestas en los resultados del satélite Planck. Licencia : Creative Commons


El anuncio de la primera evidencia sobre la inflación cósmica y las ondas gravitatorias cuánticas que surgieron tras el Big Bang ha sido valorada por los científicos como uno de los grandes descubrimientos del siglo, un hallazgo extraordinario equiparable al del famoso bosón de Higgs. Sinc ha hablado con algunos de estos expertos para entender mejor el alcance del descubrimiento y saber cuándo se podría confirmar. Todas las miradas están puestas en los resultados del satélite Planck.
Licencia : Creative Commons

 

En el primer instante de la historia del nuestro universo, hace unos 13.800 millones de años, ocurrió algo extraordinario: surgió el espacio-tiempo y se expandió a una velocidad superior a la de luz. Todo sucedió en alrededor de 10-32 segundos, un periodo cortísimo conocido como inflación, marcado por fluctuaciones cuánticas que generaron ondas gravitatorias, la pistola humeante del Big Bang.

Unos 380.000 años más tarde, se enfría el plasma caliente generado por la gran explosión y surge la radiación de fondo de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), que desde entonces se observa de forma uniforme por cualquier parte del cielo que miremos.

La huella que dejaron las ondas gravitatorias primigenias en esta radiación CMB es lo que ha observado ahora el telescopio BICEP2 desde la Antártida. Científicos del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, en EE UU, han anunciado esta semana este descubrimiento que ha revolucionado a los físicos.
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¿Está compuesta la materia oscura por neutrinos?

Un par de trabajos sugieren que los neutrinos tienen mayor masa de lo pensado y tendrían una gran contribución a la materia oscura.

A estas alturas todos conocemos el problema de materia oscura, esa masa que no vemos y que altera la rotación de las galaxias o contribuye al fenómeno de lentes gravitatorias. Normalmente se propone la existencia de partículas exóticas que den cuenta de esa masa, que es mucho mayor que la masa de la materia visible.
A veces se ha propuesto que sean los neutrinos los que hagan la materia oscura, al fin ya la cabo no interactúan prácticamente con la materia ordinaria. Para poder detectar alguno de los millones de neutrinos que nos atraviesan constantemente se usan miles de números de Avogadro de átomos corrientes y se espera a alguna interacción en un sitio aislado de la radiación natural. Esta baja interacción se debe a que los neutrinos sólo interaccionan con la materia ordinaria a través de la fuerza nuclear débil o la gravedad (que es la más débil de todas las fuerzas).
Hay tres tipos o “sabores” de neutrinos, cada uno asociado al electrón, al muón y al tau. Además, desde hace un tiempo, se ha propuesto la existencia de un cuarto neutrino que no interaccionaría con la materia ordinaria ni siquiera a través de la fuerza nuclear débil, sino que sólo interaccionaría con el resto de los neutrinos y con la gravedad. Tampoco sería capaz de cambiar su sabor. Los neutrinos estériles son un concepto puramente teórico, a diferencia de los otros tres tradicionales, que sí se han observado.

Neutrino mass and effective number constraints, labeled as in Fig. 1 (× indicates the ML model, + its shift from a 9% cluster mass increase). Bottom: S? sterile case for Td (left) and Ad (right). The region excluded by the msDW<7??eV prior is left of the dashed line. Top: A? active case for Td (left) and Ad (right). In all cases the minimal ?m?=0.06??eV, Neff=3.046, and ms=0 is highly excluded.

Neutrino mass and effective number constraints, labeled as in Fig. 1

En un principio se creía que los tres neutrinos tradicionales carecían de masa, pero el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos que hace que unos tipos se transformen en otros (y que resuelve el problema de la paradoja de los neutrinos solares) nos dice que tienen alguna masa. Esta masa es muy pequeña, con una cota inferior es de 0,06 eV. Pero nadie sabe su masa real. Si tuvieran una masa pequeña, pero muy por encima de esa cota, entonces podrían dar cuenta de la materia oscura, pues la cantidad de neutrinos (principalmente primordiales) es inmensa. Por el contrario, si tuvieran una masa un poco superior a esos 0,06 eV, entonces su contribución a la materia oscura sería despreciable.
Una manera de medir la materia oscura es analizando el fondo cósmico de microondas (FCM), que se corresponde a la luz emitida al cabo 380.000 años tras del Big Bang. El FCM contiene pequeñas irregularidades que dan cuenta de varios aspectos del Universo y que permiten testar los distintos modelos cosmológicos. También permite determinar la cantidad de materia oscura.
La distribución de las irregularidades es un reflejo de las fluctuaciones en densidad de materia que había tras el Big Bang. Fue precisamente en donde la densidad era mayor en donde la gravedad pudo actuar y crear más tarde los cúmulos de galaxias. Si se analiza la distribución de cúmulos en una época posterior y se comparan con las irregularidades del FCM se observa que no coinciden del todo. Pero, usando ciertos modelos, se puede deducir, usando la masa que tendrían que tener los neutrinos para que todo encajara.
Al principio del Universo, los neutrinos se moverían a velocidad relativista y no serían agrupados por la fuerza de gravedad. Pero una vez el Universo se enfrío lo suficiente, los neutrinos se moverían más despacio hasta agruparse al igual que la materia normal. El número de cúmulos de galaxias sería un reflejo de la masa de los neutrinos. Cuanto más masivos más contribuirían a la materia oscura.
En un artículo publicado recientemente Richard Battye (University of Manchester) y Adam Moss (University of Nottingham) se analizan los datos del FCM aportados por las misiones WMAP y Planck usando la idea antes expuesta y se llega a la conclusión de que la contribución de los neutrinos podrían dar cuenta de la materia oscura. Algo similar han hecho Mark Wyman (University of Chicago) y sus colaboradores.
En ambos casos proponen dos posibilidades. En la primera los tres neutrinos tradicionales tendrían una masa de 0,32 eV y 0,39 eV respectivamente, con barras de error que tienen una intersección común.
En la segunda sugieren la participación de neutrinos estériles en el escenario. Dependiendo del modelo usado se asigna una masa al neutrino estéril de entre 0,3 eV y 0,5 eV. Al parecer, esta segunda opción encaja mejor que la primera con los datos experimentales.

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