Avanzado La tensión en la constante de Hubble

[Jaime Rudas]

Con cierta frecuencia visito la sección de cosmología de arxiv.org y leo los títulos de los artículos que ahí se presentan. Cuando entiendo algo del título (pocas veces), me aventuro a leer el resumen. Ayer leí el resumen de un artículo sobre oscilaciones acústicas bariónicas donde se indica que los resultados obtenidos son totalmente consistentes con las predicciones del modelo ΛCDM y los parámetros medidos por la sonda Planck.

El siguiente resumen que leí trata sobre la determinación del parámetro Ho y me llamó la atención que menciona una discrepancia entre lo medido por la sonda Planck y lo medido por el telescopio Hubble.

¿Qué se sabe de esta discrepancia? ¿Es significativa?

Por otra parte, en este último artículo, según entendí, se menciona que un modelo que, contrario al ΛCDM, considera variable en el tiempo la densidad de energía oscura, se ajustaría mejor que el ΛCDM a lo observaciones.

Me pareció curioso que dos artículos con conclusiones, a mi modo de ver, opuestas, se hubieran publicado casi al mismo tiempo: el primero el 17 de mayo del 2017 y el segundo el 18 de mayo del 2017.

[Alriga]

Re: ¿Planck contra Hubble?

El valor de la constante de Hubble deducido de las medidas del fondo cósmico de microondas (CMB, z=1089.9) por el satélite Planck no acaban de coincidir con el valor deducido de observaciones de galaxias con desplazamientos al rojo 0.5 < z < 2 y por lo tanto mucho menores que el z del CMB. Del CMB se deduce un valor de la Constante de Hubble $H_0$ de alrededor de 68 (km/s)/Mpc, y de galaxias de z moderado, sobre 71-73 (km/s)/Mpc

No se sabe si son errores de medida o es que hay que cambiar algo en el modelo $\Lambda CDM$. Cada día salen artículos con su particular explicación de su “porqué” de las discrepancias. Este de Solá/Gómez/Cruz que tú enlazas, intenta explicar la discrepancia mediante la no-constancia de la “constante” cosmológica. Otros intentan explicarlo de otras maneras. Cada uno "ajusta" como varía el parámetro del modelo que a él más le gusta para que los números le "cuadren". Alguno acertará (?), ... o no (?)

Francis Villatoro tiene varios posts comentando estas discrepancias, a las que llaman “tensión” entre valores de la constante de Hubble.

La tensión entre la constante de Hubble y los datos cosmológicos

H0LiCOW mide la constante de Hubble mediante lentes gravitacionales de cuásares

La tensión entre los modos altos e intermedios en el telescopio espacial Planck

Lo cierto es que todavía nadie sabe seguro si las discrepancias son imprecisiones en las medidas o errores del modelo $\Lambda$CDM concordante.

Saludos.

[Alriga]

Re: ¿Planck contra Hubble?

Hoy La mula Francis publica un post sobre la tensión en la constante de Hubble que titula El problema de la constante de Hubble

Es un post meramente descriptivo en el que vuelve a recordar que del CMB ($z >>$) se deduce un valor de la Constante de Hubble $H_0$ de alrededor de 68 (km/s)/Mpc, y de galaxias de z moderado, sobre 71-73 (km/s)/Mpc

El post lo motiva el artículo de W.L. Freedman que también es solo meramente descriptivo de la tensión, Cosmology at a Crossroads: Tension With the Hubble Constant

Mucho más interesantes son los estudios que intentan hallar una explicación. Una explicación posible y sencilla sería que, aunque el Universo a gran escala pueda ser homogéneo e isótropo, nuestro universo cercano en un radio de unos 300 Mpc (z=0.07) tenga una densidad bastante inferior a la media, (los titulares sensacionalistas lo describen diciendo que vivimos en un “supervacío cósmico”)

Menor densidad que la media localmente a nuestro alrededor, implicaría expansión más rápida que la media localmente a nuestro alrededor, lo que explicaría que los cálculos de $H_0$ basados en medidas de objetos de desplazamientos al rojo “z” moderados, den valores superiores a los calculados a partir del CMB de z=1089.9

Uno de los estudios que he encontrado (KBC=Keenan, Barger, Cowie) que apunta a esta solución es Evidence for a ~300 Mpc Scale Under-density in the Local Galaxy Distribution

Y otro estudio que también punta a “supervacío local” y que pretende reforzar el anterior, (pero del que no he encontrado el pdf gratuito) es Large Local Void, Supernovae Type Ia, and the Kinematic Sunyaev-Zel'dovich Effect in a Lambda-LTB Model

EDITADO: Veo que varios meses después ha aparecido el artículo gratuito en arxiv: The KBC Void: Consistency with Supernovae Type Ia and the Kinematic SZ Effect in a ΛLTB Model

Saludos.

[Alriga]

Nuevas medidas de la densidad de materia oscura obtenidas del Universo cercano coinciden con las inferidas a partir de medidas del satélite Planck del CMB

El satélite Planck estudió durante 4 años, (2009-2013) el Fondo Cósmico de Microondas CMB, que es la radiación de cuerpo negro que brotó durante el desacoplamiento de los fotones cuando el universo tenía solo 385.000 años de edad, (hace 13.978,6 millones de años)

Del análisis de esos 4 años de toma de datos, los científicos del proyecto dedujeron, (infirieron, calcularon), que las ratios de densidad actuales de materia bariónica, materia oscura y energía oscura debían ser respectivamente (publicación en 2015):

$\Omega_{b_0}=0.0486$

$\Omega_{dm_0}=0.2603$

$\Omega_{\Lambda_0}=0.6911$

Como he dicho, estos datos se dedujeron exclusivamente del CMB, es decir de un Universo de 385.000 años de edad compuesto exclusivamente de partículas elementales sin ninguna estrella ni galaxia todavía. Sería muy interesante intentar calcular estos mismos parámetros, pero mediante observaciones completamente independientes, como podría ser la observación de galaxias de nuestro entorno y ver si ambos cálculos coinciden. Pues bien, esto es lo que intenta The Dark Energy Survey (DES) estudiando galaxias en una esfera de 8.000 millones de años centrada en nosotros, por lo tanto objetos del universo como mínimo 6.000 millones de años posteriores al CMB.

El proyecto DES utiliza el telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de diámetro ubicado en Cerro Tololo (Chile) que está equipado con una cámara digital de última generación llamada Dark Energy Camera, (DECam) Esta cámara permite captar imágenes en longitudes de onda ópticas e infrarrojas cercanas con gran sensibilidad y un enorme campo de visión de 2,2º

El Dark Energy Survey investigará durante un período de 5 años (2013-2017) la dinámica del universo “cercano” y de su estructura a gran escala, fotografiando en total 1/8 del cielo y usando cuatro técnicas:

* Supernovas de Tipo Ia

* Oscilaciones Acústicas de Bariones

* Cuantificación del número de grupos y cúmulos de galaxias

* Lentes gravitacionales débiles

Pues bien, acabo de ver que DES publica varios documentos con resultados del 1er año de observaciones, (agosto 2013-agosto 2014) en el que se monitoreó 1/30 del cielo. Entre ellos me ha parecido notable Dark Energy Survey reveals most accurate measurement of dark matter structure in the universe en cuyo párrafo inicial dice:

El nuevo resultado, que rivaliza en precisión con las mediciones del CMB, refuerza la visión de que la materia oscura y la energía oscura componen la mayor parte del cosmos.

Imagina que plantas una simple semilla y que con gran precisión, eres capaz de predecir de forma fiable la altura exacta del árbol que crecerá de ella. Ahora imagina que viajas al futuro y tomas una imagen fotográfica que prueba que tenías razón.

Si se piensa en la semilla como el universo temprano del CMB, y el árbol como el universo como se ve ahora, se tiene una idea de lo que la cooperación Dark Energy Survey (DES) acaba de hacer. Los científicos de DES acaban de presentar la medición más precisa que jamás se ha hecho de la actual estructura a gran escala del Universo.

Estas mediciones de la cantidad y "agrupamiento" (o distribución) de la materia oscura en el cosmos de hoy en día se hicieron con una precisión que, por primera vez, rivaliza con la de la inferida a partir de las medidas del universo temprano realizadas por el observatorio orbital Planck de la Agencia Espacial Europea. El nuevo resultado de DES (el árbol, en la metáfora anterior) está cerca de las "previsiones" realizadas mediante las mediciones Planck de un pasado lejano (la semilla), permitiendo a los científicos entender más acerca de la manera en que el universo se ha desarrollado durante 14 mil millones de años.

"Este resultado es más que emocionante", dice Scott Dodelson de Fermilab, uno de los principales científicos en este estudio. "Por primera vez, somos capaces de ver la estructura actual del universo con la claridad con la que podemos ver su infancia, y podemos seguir los hilos desde la una hasta la otra, lo que confirma muchas de las predicciones a lo largo del camino"

En particular, este resultado refuerza las deducciones obtenidas por Planck de que el 26 por ciento del universo actual está en la forma de la misteriosa materia oscura y que el espacio está lleno de una energía oscura también invisible, que es la causante de la expansión acelerada del universo y constituye casi el 70 por ciento.

"Las mediciones de DES, cuando se comparan con el mapa de Planck, apoyan la versión más simple de la teoría de la materia oscura / energía oscura", dice Joe Zuntz, de la Universidad de Edimburgo, que trabajó en el análisis. "El momento en que nos dimos cuenta de que nuestras medidas coincidían con las de Planck dentro de un 7 por ciento, fue muy emocionante para toda la colaboración"

"Es increíble que el equipo haya logrado alcanzar tal precisión en tan solo el primer año del servicio", dice el director de NSFP, Nigel Sharp.

Los científicos del DES han utilizado dos métodos para medir la materia oscura. Primero, se crearon mapas de posiciones de galaxias como marcadores, y segundo, midieron con precisión las formas de 26 millones de galaxias para mapear directamente los patrones de materia oscura a lo largo de miles de millones de años luz, usando la técnica de la lente gravitacional.


Mapa de la materia oscura realizada a partir de medidas de lentes gravitacionales de 26 millones de galaxias realizado por DES. El mapa cubre aproximadamente 1/30 de todo el cielo y abarca varios miles de millones de años luz en extensión. Las regiones rojas tienen más materia oscura que la media, regiones azules menos materia oscura.

El modelo $\Lambda$CDM va saliendo cada vez más reforzado conforme más medidas se van haciendo

Saludos.

[Jaime Rudas]

Re: Nuevas medidas de la densidad de materia oscura obtenidas del Universo cercano coinciden con las inferidas a partir de medidas del satélite Planck del CMB

¿Esto, en alguna medida, "alivia" la "tensión" que mencionaras hace unos meses?

[Alriga]

Re: Nuevas medidas de la densidad de materia oscura obtenidas del Universo cercano coinciden con las inferidas a partir de medidas del satélite Planck del CMB

¿Esto, en alguna medida, "alivia" la "tensión" que mencionaras hace unos meses?

No lo sé. Yo me había hecho la misma pregunta. Lo que he leído del tema es exclusivamente el texto que he enlazado y en él nada se dice de la constante de Hubble. Estaré atento a ver si aparece información más detallada del tema.

Saludos.

[alejandromeira]

Re: ¿Planck contra Hubble?

Hola. Me encanta la cosmología. Bueno, ahora voy a decir una barbaridad, ya podeís crucificarme . El caso es que... no creo en la ley de Hubble!!! Vamos, si creo que el universo se expande por la radicación de microondas. Pero que la velocidad de recesión de las galaxias sea proporcional a la distancia, hasta alcanzar velocidades inimaginables... es como cuando Newton hablaba de la acción a distancia de la fuerza gravitatoria: "es un absurdo tan grande que... etc"

El caso es que os voy a poner un enlace a un astrónomo colaborador de Hubble recientemente fallecido. El propio Hubble parece ser que también estaba descontento con la interpretación dada por el efecto Doppler del corrimiento. Pues bien este astrónomo ha descubierto que muuuchos quasars están al lado de galaxias de corrimiento al rojo mucho menor, según él esta asociación se da tantas veces que no puede ser debida al puro azar. Además habla de los "dedos de Dios" : al repetirse tantas veces esta asociación, dice, resulta que la posición de muchos grupos de galaxias-quasar hay que interpretarla como filamentos que se alejan de nosotros (volvemos a ser el centro del universo?)

Bueno, el señor piensa como yo. Hay un redshift intrínseco que no depende del desplazamiento del objeto. Y otro debido a la ley de Hubble. Os puedo decir que con mis pocos medios y aún menores conocimientos estoy intentando buscar un modelo en el que el desplazamiento de Hubble no diverja. Os dejo el enlace a la página del astrónomo:

http://www.haltonarp.com/articles

No se que opináis del tema.

[Jaime Rudas]

Re: ¿Planck contra Hubble?

[...] no creo en la ley de Hubble!!! Vamos, si creo que el universo se expande por la radicación de microondas.

Sería bueno que explicaras a qué te refieres con expansión «por la radicación de microondas». Lo digo porque, según yo la entiendo, la expansión implica la ley de Hubble. De hecho, tanto la ley de Hubble como la radiación de fondo fueron predichas de la teoría de la expansión antes de ser descubiertas.

Pero que la velocidad de recesión de las galaxias sea proporcional a la distancia, hasta alcanzar velocidades inimaginables... es como cuando Newton hablaba de la acción a distancia de la fuerza gravitatoria: "es un absurdo tan grande que... etc"

Otra vez, sería bueno que explicaras por qué te parece que es absurdo. Lo digo porque opino que no es suficiente que algo nos parezca absurdo para considerarlo incorrecto. Por ejemplos, Einstein consideró absurda la teoría cuántica y, aun así, ha demostrado ser provisionalmente correcta.

El caso es que os voy a poner un enlace a un astrónomo colaborador de Hubble recientemente fallecido. El propio Hubble parece ser que también estaba descontento con la interpretación dada por el efecto Doppler del corrimiento. Pues bien este astrónomo ha descubierto que muuuchos quasars están al lado de galaxias de corrimiento al rojo mucho menor, según él esta asociación se da tantas veces que no puede ser debida al puro azar. Además habla de los "dedos de Dios" : al repetirse tantas veces esta asociación, dice, resulta que la posición de muchos grupos de galaxias-quasar hay que interpretarla como filamentos que se alejan de nosotros (volvemos a ser el centro del universo?)

No entiendo: ¿de dónde resulta que seríamos el centro del universo?

Bueno, el señor piensa como yo.

O viceversa.

Hay un redshift intrínseco que no depende del desplazamiento del objeto. Y otro debido a la ley de Hubble.

Esto es exactamente lo que se deduce del modelo más aceptado (la teoría del big bang) y contradice tu primera afirmación según la cual no crees en la ley de Hubble.

[Jaime Rudas]

Re: ¿Planck contra Hubble?

Hace poco, se publicó este otro interesante artículo sobre la 'tensión' entre la medición de la constante de Hubble Ho a partir del fondo cósmico de microondas y las mediciones de supernovas Ia. Me gustó que, al inicio, hace una descripción bastante detallada de las grandes dificultades que implica la medición de distancias cosmológicas usando la ley de Leavitt ( relación luminosidad-período en cefeidas) y el método de las supernovas Ia como candelas estándar.

[Alriga]

Re: ¿Planck contra Hubble?

… El valor de la constante de Hubble deducido de las medidas del fondo cósmico de microondas (CMB, z=1089.9) por el satélite Planck no acaban de coincidir con el valor deducido de observaciones de galaxias con desplazamientos al rojo 0.5 < z < 2 y por lo tanto mucho menores que el z del CMB. Del CMB se deduce un valor de la Constante de Hubble $H_0$ de alrededor de 68 (km/s)/Mpc, y de galaxias de z moderado, sobre 71-73 (km/s)/Mpc
No se sabe si son errores de medida o es que hay que cambiar algo en el modelo $\Lambda CDM$. Cada día salen artículos con su particular explicación de su “porqué” de las discrepancias. Este de Solá/Gómez/Cruz que tú enlazas, intenta explicar la discrepancia mediante la no-constancia de la “constante” cosmológica. Otros intentan explicarlo de otras maneras. Cada uno "ajusta" como varía el parámetro del modelo que a él más le gusta para que los números le "cuadren". Alguno acertará (?), ... o no (?)

Hoy he visto un nuevo paper de un equipo de astrónomos chino (Zhao, Raveri, Zhang,...) que también pretende resolver la tensión entre los valores cosmológicos deducidos de diferentes observaciones mediante la no-constancia de la Constante Cosmológica, (modelo de energía oscura dinámica en vez de estática)

Resumo el abstract, que más o menos dice:

Un universo plano Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker dominado por una constante cosmológica $\Lambda$ y la materia oscura fría (CDM) ha sido el modelo de trabajo preferido por los cosmólogos desde el descubrimiento de la expansión cósmica acelerada. Sin embargo, se sabe que existen tensiones de varios grados de significación entre los conjuntos de datos existentes dentro del marco $\Lambda$CDM.
En particular, las medidas Lyman-$\alpha$ de las oscilaciones acústicas de bariones (BAO) realizadas por el Baryon Oscillation Spectroscopic Survey parecen favorecer un valor menor de la ratio de densidad de materia $\Omega_M$ del obtenido del fondo cósmico de microondas CMB.
Además, el valor medido recientemente de la constante del Hubble, $H_0 = 73,24 \pm 1,74 \ (km/s)/Mpc$, es 3,4 $\sigma$ superior a los $66,93 \pm 0,62 \ (km/s)/Mpc$ inferidos de los datos del CMB por el satélite Planck.
En este trabajo investigamos si estas tensiones pueden ser interpretadas como evidencia de una energía oscura dinámica no constante. Usando la divergencia de Kullback-Leibler para cuantificar la tensión entre conjuntos de datos, encontramos que las tensiones son aliviadas por una energía oscura en evolución, a un nivel de significancia de 3.5$\sigma$, con el modelo de energía oscura dinámica que más se adapta basado en la mejora solo del ajuste. Si bien en la actualidad las pruebas bayesianas de energía oscura dinámica son insuficientes para favorecerla por encima de $\Lambda$CDM, mostramos que, si la energía oscura dinámica que mejor se adapta fuese realmente el verdadero modelo, ello podría ser detectado concluyentemente por la próxima campaña de observación del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)

Es un artículo más de los que aparecen cada día sobre el tema, pero me ha parecido interesante daros a conocer éste porque no se publica en cualquier sitio, sino en Nature Astronomy. Lo malo es que no podemos leerlo completo porque es de pago, este es el enlace a Nature: Dynamical dark energy in light of the latest observations

Añadido: he encontrado el pre-print en arxiv: Dynamical dark energy in light of the latest observations

Este es el enlace al comentario del documento en "Investigación y Ciencia": ¿Ha cambiado la densidad de energía oscura a lo largo del tiempo?

Permaneceremos atentos a las novedades en Cosmología, saludos.

[Alriga]

Re: Nuevas medidas de la densidad de materia oscura obtenidas del Universo cercano coinciden con las inferidas a partir de medidas del satélite Planck del CMB

Se acaba de publicar un interesantísimo trabajo compilatorio de medidas de la Constante de Hubble $H_0$ del primer año del Dark Energy Survey (DES): Dark Energy Survey Year 1 Results: A Precise H0 Measurement from DES Y1, BAO, and D/H Data

Combina observaciones de:

* Oscilaciones Acústicas de Bariones
* Cuantificación del número de grupos y cúmulos de galaxias
* Lentes gravitacionales débiles
* Nucleosíntesis del big-bang

Y obtiene $H_0=67.2^{+1.2}_{-1.0}$ (km/s)/Mpc. Recordar que el resultado del satélite Planck (2015) fue de $H_0=67.74 \pm 0.46$ (km/s)/Mpc

"Este resultado es completamente independiente de las medidas de la constante de Hubble basadas en la escalera de distancias, de las anisotropías del Fondo Cósmico de Microondas tanto de temperatura como de polarización) y de restricciones de lente gravitacional fuerte"

¿Esto, en alguna medida, "alivia" la "tensión" que mencionaras hace unos meses?

Al combinar este trabajo, (al que llaman DES-BAO-BBN) con:

* Planck
* SPTpol
* SH0ES
* H0LiCOW

Dice el abstract del estudio:

"Ahora hay cinco conjuntos de datos que: a) no tienen ninguna sistemática observacional compartida; y b) cada uno de ellos restringe la constante del Hubble con un bajo nivel de precisión porcentual. Comparamos estas cinco mediciones independientes y encontramos que, como un conjunto, las diferencias entre ellas son significativas en el nivel de $\bold{2.1 \sigma}$
Esta diferencia es lo suficientemente baja como para considerar los conjuntos de datos estadísticamente consistentes entre sí."

Por lo tanto entiendo que la tensión ha desaparecido. Una gran noticia para el modelo $\Lambda CDM$



Saludos.

[surrealfrog]

Re: Nuevas medidas de la densidad de materia oscura obtenidas del Universo cercano coinciden con las inferidas a partir de medidas del satélite Planck del CMB

Con estas mediciones, quiere decir que la densidad del Universo es exactamente igual a la densidad crítica?

[Jaime Rudas]

Re: Nuevas medidas de la densidad de materia oscura obtenidas del Universo cercano coinciden con las inferidas a partir de medidas del satélite Planck del CMB

Con estas mediciones, quiere decir que la densidad del Universo es exactamente igual a la densidad crítica?

Bueno, no exactamente (no es posible realizar mediciones exactas), pero tengo entendido que la densidad crítica sí está dentro del margen de error de la densidad medida.
Saludos

[Alriga]

Re: Nuevas medidas de la densidad de materia oscura obtenidas del Universo cercano coinciden con las inferidas a partir de medidas del satélite Planck del CMB

Con estas mediciones, quiere decir que la densidad del Universo es exactamente igual a la densidad crítica?

$\rho_o \ =$ densidad actual del Universo

$\rho_{co}=\dfrac{3H_0^2}{8\pi G} \ =$ densidad crítica actual

$\Omega_0=\dfrac{\rho_o}{\rho_{co}} \ =$ ratio de densidad actual, (definición)

Las mejores medidas de las que se dispone en la actualidad, obtenidas al combinar las medidas del satélite Planck con las medidas de Oscilaciones Acústicas de Bariones, dan para el valor del ratio de densidad actual

$\Omega_0=1.000 \pm 0.005$

Por lo tanto, las mejores medidas de las que se dispone en la actualidad indican que el Universo es Plano con 3 cifras significativas.

Saludos.

[Alriga]

Re: ¿Planck contra Hubble?

Vuelve la tensión. Medir la constante de Hubble es muy difícil, siempre ha habido discrepancias: en los años 1970/80 hubo una guerra a muerte entre Allan Sandage y Gerard de Vaucouleurs, (se insultaban, se desprestigiaban y se burlaban el uno del otro en público), sobre si la constante de Hubble valía alrededor de 50 (km/s)/Mpc o alrededor de 100 (km/s)/Mpc

Como explicábamos en el post #1 actualmente las discrepancias se han reducido, de forma que la constante de Hubble parece tener un valor alrededor de 68 si se mide a partir del CMB (z = 1090) y de alrededor de 72 si se mide a partir de galaxias “cercanas” (z $\simeq$ 1)

Los últimos estudios del Dark Energy Survey, independientes del CMB, parecía habían eliminado la tensión reduciéndola a fluctuaciones estadística, lo explicábamos aquí: https://forum.lawebdefisica.com/forum/el-aula/relatividad-y-cosmología/38386-la-tensión-en-la-constante-de-hubble?p=276701#post276701

Pues ahora acaba de publicarse un nuevo estudio que "recalibra" la relación distancia/luminosidad de las cefeidas, que es uno de los primeros escalones de la "Escalera de distancias cósmicas"

La "recalibración" vuelve a situar la constante de Hubble en el valor de $H_0=73.48 \pm 1.66 \ km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}$ lo que significa una discrepancia de $3.7 \ \sigma$ respecto del valor del Satélite Planck. Este es el paper: New Parallaxes of Galactic Cepheids from Spatially Scanning the Hubble Space Telescope: Implications for the Hubble Constant

Como he explicado, nada nuevo bajo el sol, las discrepancias en el valor de $H_0$ son habituales, pero lo que me ha sorprendido es el titular sensacionalista de la NASA: Improved Hubble Yardstick Gives Fresh Evidence for New Physics in the Universe, "La mejora en la vara de medir la constante de Hubble proporciona evidencia fresca para Nueva Física en el Universo"

¿La NASA anda buscando desesperadamente notoriedad?

Saludos.