Podcast CB SyR 488: Cosmología según DESI DR1 y STP-3G, inestabilidad en cuerdas oscuras y evento de disrupción de marea

Te recomiendo disfrutar del episodio 488 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVoox A, iVoox B; ApplePodcast A, ApplePodcast B], titulado “Cosmología; DESI; South Pole Telescope; Cuerdas Oscuras; Disrupción de Marea”, 28 nov 2024. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. Cara A: Sobre premios ivoox. Enhorabuena a Universo de Misterios y El Abrazo del Oso (5:00). Primer data release de DESI (12:30). Cara B: Promo AICAD (00:10). Primer data release de DESI (continuación) (02:00). SPT-3G (30:30). Evento de disrupción de marea por AT2021hdr (55:30). Sobre la estabilidad de cuerdas negras en más dimensiones y cómo la teoría de cuerdas podría resolver la aparición de singularidades desnudas (1:10:30). Señales de los oyentes (1:35:30). Imagen de portada realizada por Héctor Socas. Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso».

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Descargar el episodio 488 cara A en iVoox.

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Como muestra el vídeo participamos por videoconferencia Héctor Socas Navarro @HSocasNavarro (@pCoffeeBreak), José Alberto Rubiño, @JARubinoM, José Edelstein @JoseEdelstein (solo cara A), Gastón Giribet @GastonGiribet (solo cara B), y Francis Villatoro @eMuleNews. Por cierto, agradezco a Manu Pombrol @ManuPombrol el diseño de mi fondo para Zoom; muchas gracias, Manu.

Tras la presentación, Héctor nos comenta que el podcast Universo de Misterios de José Rafael Gómez ha ganado el premio iVoox 2024, quedando segundo El Abrazo del Oso (equipo) y tercero nuestro podcast. Tras haber ganado en 2022 y 2023 no creíamos oportuno volver a participar en 2024, pero nuestra inscripción fue automática. Hace un año pedimos en el podcast y promocionamos en redes sociales que no se votara este podcast, para favorecer a otros podcasts. En cualquier caso, enhorabuena a los ganadores.

Héctor nos cuenta qué es DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), que pretende catalogar unas 40 millones de galaxias y cuásares con desplazamientos al rojo 0.1 < z < 4.2 para estudiar la energía oscura. Como nos cuenta Alberto este año se están publicando los resultados de su primer año (DESI DR1, o DESI 2024). En abril  de 2024 se publicó su análisis cosmológico basado en oscilaciones acústicas de bariones (BAO), del que se habló en el podcast CB SyR 459 (LCMF, 12 abr 2024); en concreto de sus artículos III, IV y VI (en concreto, III https://arxiv.org/abs/2404.03000), IV (https://arxiv.org/abs/2404.03001), y VI (https://arxiv.org/abs/2404.03002). Ahora en noviembre se han publicado otros tres artículos, II, V y VII, basados en el análisis del espectro de potencia completo (asociado a la distribución de materia). Los resultados son muy similares a los ya publicados, aunque cambian muchos detalles, son poco relevantes a nivel numérico. Lo más relevante es que algunos parámetros cosmológicos se han podido estimar usando la distribución de galaxias observada por DESI sin necesidad de usar datos cosmológicos (parámetros adicionales extraídos del fondo cósmico de microondas, CMB); por supuesto, solo unos pocos parámetros se han podido estimar de esta forma, la mayoría requieren información del CMB (como ya ocurría con los artículos de abril). Los nuevos artículos son «DESI 2024 II: Sample Definitions, Characteristics, and Two-point Clustering Statistics,» arXiv:2411.12020 [astro-ph.CO] (18 Nov 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.12020; «DESI 2024 V: Full-Shape Galaxy Clustering from Galaxies and Quasars,» arXiv:2411.12021 [astro-ph.CO] (18 Nov 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.12021; y «DESI 2024 VII: Cosmological Constraints from the Full-Shape Modeling of Clustering Measurements,» arXiv:2411.12022 [astro-ph.CO] (18 Nov 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.12022.

El resumen es que todos los datos de DESI DR1 confirman el modelo cosmológico de consenso LCDM. Gracias a ello se pueden combinar con los datos del CMB para obtener las mejores estimaciones actuales de todos los parámetros cosmológicos (que solo son un poquito mejores que las obtenidas por el telescopio espacial Planck). Pero, como es obvio, «confirmar a Einstein» no es noticia. Por ello en la mayoría de los medios se ha destacado el ajuste del modelo w₀w_aLCDM, en el que se toma como ecuación de estado para la energía w(a) = w₀ + w_a (1 − a) = w₀ + w_a z/(z+1), donde a es el factor de escala del universo; este modelo tiene 8 parámetros libres, cuando el LCDM solo tiene 6 (pues asume que w₀ = −1 y w_a = 0). Con dos parámetros adicionales se obtiene un ajuste un par de sigmas mejor, lo que es insuficiente para afirmar que DESI DR1 prefiera el w₀w_aLCDM al LCDM (aunque algunos medios se hayan agarrado a ella como a un clavo ardiendo). Por cierto, te recuerdo que la energía oscura tiene densidad de energía constante y presión negativa, p = −ρ, es decir, w = p/ρ  = −1.

Alberto nos destaca algunos puntos (aunque la relevancia real de los datos DR1 es ridícula, pues con seguridad todo cambiará cuando se publiquen los datos de DR3 y DR5). Por un lado, la constante de Hubble estimada por DESI DR1 es compatible con la estimación cosmológica (como era de esperara), que ya alcanza unas 6 sigmas de discrepancia con la estimación astrofísica de SH0ES. Lo único novedoso que Alberto puede reseñar es que la estimación de DESI DR1 usa poca información cosmológica del CMB, le basta la estimación de la densidad de bariones (BBN) y el valor pico escala de densidad (ns10, tomado con 10 veces su error según el CMB). Pero, en rigor, no se puede afirmar que sea una estimación independiente del CMB. También destaca la estimación de la suma de la masa de los neutrinos, que se resulta ser < 71 meV al 95 % C.L.; en especial, pone en el énfasis en que este dato descarta que la jerarquía de masas sea invertida, que predice un valor > 100 meV, y que se acerca al límite inferior para la jerarquía normal > 59 meV (valor obtenido a partir de las oscilaciones de neutrinos solares y atmosféricos, que hay que tomar con alfileres). En rigor, hay que ser muy cuidadoso con estas estimaciones (recuerda que 95 % C.L. son dos desviaciones típicas) y recordar que la mayoría de los modelos en física de partículas apuntan a una suma de las masas de los neutrinos en el entorno de los 10 meV. También destaca que se ha puesto a prueba una versión de gravedad modificada (muy de juguete, pues se limita a modificar con dos parámetros libres la métrica cosmológica FLRW); por ahora, dicho resultado no tiene ninguna relevancia en física fundamental.

Te recomiendo disfrutar de la sapiencia de Alberto y del magnífico análisis que hace de los datos cosmológicos de DESI DR1. Mi opinión es que son datos DR1 y, por tanto, poco durareros. En unos tres años se publicarán los datos DR3 (tras tres años de análisis de datos), con los que se podrá hacer un análisis más confiable gracias al mejor conocimiento sobre el instrumento que se tendrá. Te recuerdo que DESI pretende obtener cinco años de toma de datos y que se espera que DESI DR5 (dentro de unos 7 años) sea su análisis definitivo. Su objetivo es confirmar los datos cosmológicos de Planck sobre el CMB sin usar ninguna información del CMB. Y, además, pretende desvelar si la energía oscura tiene una ecuación de estado más allá de ser la constante cosmológica (w = −1).

Héctor agradece el patrocinio de AICAD Business School (https://www.aicad.es). Aicad es la empresa de Inma Vega y Ermel, oyentes del programa y cientófilos. Nos anuncia la semana de la inteligencia artificial (IA Week 2025) desde el 20 al 23 enero 2025 (inscripciones en https://www.aicad.es/events/ia-week-2025). También ofertan un máster de IA (para nuestros oyentes habrá un descuento, solo tienen que decirlo al inscribirse).

Alberto también nos cuenta que se ha publicado el primer resultado cosmológico del telescopio del Polo Sur (SPT-3G, donde 3G significa tercera generación).  El South Pole Telescope (SPT) es un telescopio de 10 metros situado en la base polar Amundsen–Scott en la Antártida. Usa una cámara de ∼16,000 detectores superconductores, que operará en tres bandas, 95 GHz (3.2 mm), 150 GHz (2.0 mm), y 220 GHz (1.4 mm), hasta 2027. Solo se publica el análisis de la polarización del CMB en 1500 grados cuadrados de cielo (un 3.64 % de todo el cielo), en concreto, en los modos E (mapa EE); el análisis conjunto con la temperatura (mapas TT y TE) se publicará en el futuro. En líneas generales, la estimación de parámetros cosmológicos conduce a resultados muy similares a los de DESI DR1, confirmando el modelo cosmológico de consenso LCDM. A pesar de ello, Alberto realiza un excelente resumen de dichos resultados (te recomiendo escuchar el podcast).

El espectro de multipolos de modos E obtenido es espectacular, pues muestra todos los picos entre el tercero y el décimo (por primera vez se observan con claridad los picos octavo, noveno y décimo). Pero, en mi opinión, como en el caso de DESI DR1, se puede estirar el chicle, pero solo se puede saborear lo que hay; hasta que no se publique el análisis completo, con mapas TT, TE y EE, no merece la pena reportar en detalle los parámetros cosmológicos estimados (como un límíte para la masa de los neutrinos < 75 meV al 95 % C.L., o poder estimar la densidad de materia del universo usando solo el espectro de multipolos de modos E). En cualquier caso, para los interesados en detalles el artículo es F. Ge, M. Millea, …, J. A. Zebrowski, «Cosmology From CMB Lensing and Delensed EE Power Spectra Using 2019-2020 SPT-3G Polarization Data,» arXiv:2411.06000 [astro-ph.CO] (08 Nov 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.06000.

También comentamos que SPT-3G ha observado la señal de varios satélites, incluyendo a COBE (Cosmic Background Explorer). COBE fue el primer telescopio espacial para la observación del CMB entre 1989 y 1993, que demostró que su emisión es de cuerpo negro casi perfecto y por ello obtuvo el Premio Nobel de Física en 2006. SPT-3G observó a COBE el 20 de enero de 2023 a unos 1440 km de distancia, pero también ha observado satélites Starlink, la segunda etapa de dos cohetes indios y otros objetos de basura espacial. Más información en mi pieza «SPT-3G observa la emisión térmica de COBE», LCMF, 29 nov 2024. El artículo es A. Foster, A. Chokshi, …, J. A. Zebrowski, «Detection of Thermal Emission at Millimeter Wavelengths from Low-Earth Orbit Satellites,» arXiv:2411.03374 [astro-ph.IM] (05 Nov 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.03374.

Héctor adelanta Señales de los Oyentes para aprovechar a Alberto (que se tiene que marchar). Roque Jose pregunta «¿Podría tener alguna relación la creación de pares de partículas en el vacío con la energía oscura?» y Mzan042​​ pregunta «¿Podría ser la energía oscura la energía del vacío?» Contesta Alberto que no, pues con dicha interpretación hay una diferencia de 120 órdenes de magnitud (yo aclaro que solo son 56) entre la predicción teórica y la observación cosmológica. Thomas Villa pregunta «​​Jose Alberto, ¿qué opinas de los modelos de Turok y Boyle sobre la cosmología minimal?» Alberto dice que no los conoce. Cebra pregunta «Además de estimar la distancia por espectrometría de desplazamiento al rojo, ¿habrá otras circunstancias que desplacen al rojo otras pérdidas de energía?» Contesta Héctor que no. Alberto menciona el desplazamiento al rojo por efecto Doppler debido a la velocidad peculiar de las galaxias, la llamada RSD (redshift space distortion) estimada en el artículo V de DESI DR1 (z(obs) ≃ z(cosmo) + Vpec/c). La RSD se usa como trazador de la gravedad debida a la presencia de materia (oscura), lo que permite estimar su contribución cosmológica sin usar los datos del CMB (para Alberto esta es una gran contribución de DESI DR1).

Gastón nos comenta un evento de disrupción de marea (AT 2021hdr) de una nube de polvo por una sistema binario de agujeros negros supermasivos. A finales de 2021 se observó un incremento del brillo que luego decreció, luego parecía un evento de disrupción de marea (TDE) de una estrella. Pero volvió a observarse varias veces desde entonces. Para explicarlo se propone un TDE de una nube de gas (entre 0.3 y 3.0 masas solares) en un sitema de dos agujeros negros supermasivos muy cercanos que colisionarán entre sí en los próximos 70 mil años. Un artículo muy interesante porque lo habitual es que los eventos de disrupción de marea involucren estrellas y, por tanto, no se repitan; pero al involucrarse una nube de polvo se observan varios picos (oscilaciones que ocurren entre cada 60 y 90 días), el punto clave para descartar que el origen de este TDE sea estelar.

El tiempo de repetición es un indicador del tamaño de la región involucrada en un fenómeno, como destaca Gastón; gracias a los picos repetidos se ha podido estimar que un sistema binario de superagujeros negros es el responsable de este TDE (ambos se fusionaron «pronto», dentro de unos 70 mil años). Pero, por supuesto, se trata de un candidato, que tendrá que ser confirmado con futuras observaciones de seguimiento en los próximos años. Gastón destaca que el tiempo de repetición de un El artículo es L. Hernández-García, A. M. Muñoz-Arancibia, …, M. Singh, «AT 2021hdr: A candidate tidal disruption of a gas cloud by a binary super massive black hole system,» Astronomy & Astrophysics 692: A84 (03 Dec 2024), doi: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202451305, arXiv:2411.08949 [astro-ph.GA] (13 Nov 2024).

Gastón nos cuenta un artículo del físico teórico español Roberto Emparán sobre la estabilidad de cuerdas negras en más dimensiones. La teoría de cuerdas podría evitar la singularidad desnuda resultado del colapso local de cuerdas negras debido a la inestabilidad de Gregory–Laflamme (una inestabilidad que recuerda a la inestabilidad de Plateau–Rayleigh en chorros líquidos delgados, que hace que se pince su radio y se fragmente en gotas). Una cuerda negra es una solución de tipo agujero negro prolongada en forma de cilindro (en su versión más sencilla) gracias a las dimensiones extra del espaciotiempo predichas en la teoría de cuerdas (por cierto, la cuerda negra también aparece en la teoría general de la relatividad en d+1 dimensiones, con d > 3). Gastón nos ofrece una revisión histórica fascinante de una cuestión que nació en 1993, cuando Gregory y Laflamme mostraron que una cuerda negra cilíndrica es estable solo si su radio es mayor que cierto umbral, por debajo del cual la cuerda negra es inestable, desintegrándose en un «rosario» (Gastón dice «ristra de chorizos») de singularidades desnudas (un contraejemplo de las conjeturas de censura cósmica). Este resultado teórico ha sido confirmado por simulaciones numéricas detalladas. Todo apunta a que la inestabilidad de Gregory–Laflamme aparece en toda teoría clásica de la gravitación en d+1 dimensiones (un grave problema para la idea de dimensiones extra).

Un sueño entre los teóricos cuerdistas es que la teoría de cuerdas regularice todas las singularidades en la gravitación y prohíba toda aparición de singularidades desnudas. Por ello, muchos han intentado resolver el problema de las cuerdas negras (por sus palabras, yo diría que Gastón le ha dedicado tiempo a este tema). Emparán (y dos colegas) vuelve a sorprendernos en arXiv con una resolución muy ingeniosa de la inestabilidad. Cuando el radio transversal de la cuerda negra se reduce su temperatura de Hawking crece hasta alcanzar la escala de energía de la cuerda; en ese momento aparecerán cuerdas en el horizonte cuya dinámica dominará el destino del colapso. Los cálculos muestran que las cuerdas permiten una evaporación de la energía más rápida de lo que predice la teoría general de la relatividad en d+1 dimensiones; tan rápida que es capaz de evitar la aparición de una singularidad desnuda. Según Gastón el cálculo es muy convincente (luego superará la revisión por pares y se publicará en una prestigiosa revista). Pocas veces se ha logrado usar la teoría de cuerdas para regularizar singularidades en relatividad general; este nuevo caso podría generar un gran número de nuevos trabajos en esta línea. Ojalá Gastón tenga razón. El artículo es Roberto Emparan, Mikel Sanchez-Garitaonandia, Marija Tomašević, «String Theory in a Pinch: Resolving the Gregory-Laflamme Singularity,» arXiv:2411.14998 [hep-th] (22 Nov 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.14998.

Y pasamos a Señales de los Oyentes. Javier Wolf​ pregunta «que el universo se expanda aceleradamente en el tiempo, ¿puede ser equivalente a que la velocidad de propagación de la luz en el vacío decaiga [de forma] acelerada en el tiempo, sin expansión del universo?» Contesta Héctor que no sabe si son equivalentes, pero que le recuerda a las cosmologías con velocidad de la luz variable. Hay físicos que trabajan en ello, como João Magueijo, siendo una pena que no esté José Alberto para contestar, pues conoce en persona a Magueijo y sus ideas. Yo contesto que la aceleración cósmica es reciente (z < 1), mucho más reciente que los objetos más lejanos que podemos observar con luz (z < 14); gracias a dichos objetos lejanos sabemos que la velocidad de la luz en el vacío no ha cambiado. Así se descarta con seguridad que cualquier fenómeno reciente (como la aceleración cósmica) pueda estar asociado a una variación de la velocidad de la luz en el vacío.

Thomas Villa pregunta: «hace unos años se hipotetizaba una relación de 1/R² para la energía oscura, donde R es el radio del horizonte del universo observable. ¿Los resultados de DESI apoyarían esta idea?» Contesta Gastón que es fácil escribir una teoría en la que aparezca dicha relación, pero otra cosa es que dicha teoría tenga sentido. Pero afirma no recordar nada sobre la hipótesis mencionada. Yo comento que los datos de DESI no pueden apoyar tal idea. A partir del modelo cosmológico w₀w_aLCDM no se puede deducir tal conclusión. Recuerdo que DESI observa galaxias con z < 4, la mayoría con z < 2, siendo inconcebible que el horizonte cósmico influya en dichas galaxias.

En la red social X, Thomas Villa me comenta que se refiere a la pregunta «How can the cosmological constant be 1/R² and still be constant in time?» Physics StackExchange, 01 Sep 2021. Como se aclara en la primera respuesta, la relación es equivalente al problema de la coincidencia, ¿por qué ahora la energía oscura domina el contenido del universo? Según el modelo cosmológico el parámetro de Hubble es H²(z) =H₀² (Ω_r/a⁴ + Ω_m/a³ + Ω_k/a² + Ω_Λ), donde r es la radiación, m es la materia, k es la curvatura y Λ es la constante cosmológica, y a es el factor de escala cósmico; luego cuando en el universo domina Ω_Λ (ahora es el ~70 %) resulta que Λ ≈ Ω_Λ H₀² = Ω_Λ/R₀². Pero este resultado, per se, no contiene física, siendo equivalente al problema de la coincidencia (¿por qué ahora el universo está tan vacío y por ello está dominado por la energía oscura asociada al vacío?). La pregunta de Thomas está conectada con el reciente artículo de Tian-Nuo Li, Yun-He Li, …, Xin Zhang, «Revisiting holographic dark energy after DESI 2024,» arXiv:2411.08639 [astro-ph.CO] (13 Nov 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.08639; uno de los muchos que le saca punta al lápiz con el modelo cosmológico w₀w_aLCDM de DESI DR1. Y luego se adentra en el oscuro deseo de la «entropía» de Tsallis (que no es una entropía, pues no es extensiva ni aditiva, su gran ventaja según el brasileño Constantino Tsallis), con Emmanuel N. Saridakis, Kazuharu Bamba, …, Fotios K. Anagnostopoulos, «Holographic dark energy through Tsallis entropy,» JCAP12 2018: 012 (2018), doi: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2018/12/012, y M. Tavayef, A. Sheykhi, …, H. Moradpour, «Tsallis Holographic Dark Energy,» PLB 781: 195-200 (2018), doi: https://doi.org/10.1016/j.physletb.2018.04.001. Yo le contesté que si disfruta con estas «bonitas» ideas, pues adelante, que sobre gustos no hay nada escrito.

Pregunta cebra si «¿empujan hacia atrás los fotones y otros productos de desintegración cuando chocan dos «lo que sea»?» Héctor contesta que claro que sí, las fotones tienen momento lineal, aunque no tengan masa. Gastón apostilla que en las estrellas la gravitación compite contra dicho proceso (la presión radiante, en el fondo, no es más que eso).

Pregunta Javier García Peláez sobre música: «Si los twistores vienen del twist, ¿las cuerdas oscuras vienen del blues?» Héctor contesta que no tiene ni idea.

¡Que disfrutes del podcast!

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