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Wayne Hu es uno de los pesos pesados en la física del fondo cósmico de microondas (su página personal en http://background.uchicago.edu/~whu/ contiene información sobre el fondo a todos los niveles). Hu introdujo hace unos años ya en http://arxiv.org/astro-ph/9801234 Structure Formation with Generalized Dark Matter, el concepto de Generalized Dark Matter (GDM) o Materia Oscura Generalizada. Se trata de un modelo fenomenológico que pretende describir la acción de la materia oscura con la mayor generalidad posible, como combinación en proporciones arbitrarias de los componentes conocidos: WIMPS (materia oscura fría), neutrinos (caliente), energía oscura como densidad energética oscura y otras propuestas como campos escalares.
Los neutrinos del fondo cósmico de neutrinos se desacoplaron del resto de la materia y la radiación durante los primeros minutos de existencia del universo y presentan equilibrio térmico, con una curva de cuerpo negro, isótropa y homogenea, salvo sus anisotropías. Igual que el fondo de microondas. También, al igual que el fondo de microondas, el fondo de neutrinos presenta una viscosidad debido al cuadrupolo de su distribución de temperatura. Dipolo, cuadrupolo, octopolo, son los modos (armónicos esféricos) con cuya suma se describen las anisotropías que se denotan por la letra l (dipolo l = 1, cuadupolo l = 2, etc.). La viscosidad ( "parámetro de viscosidad") del cuadrupolo del fondo de neutrinos induce un amortiguamiento de las anisotropías de los fotones del fondo, concrétamente del primer pico (modo l = 200), aunque yo no tengo (todavía) nada claro el mecanismo físico que actúa para este efecto.
Se presenta así la posibilidad de inferir sobre las anisotropías del fondo de neutrinos, sin siquiera haber medido el fondo de neutrinos, a través de las anisotropías del fondo de microondas. En la noticia de nature se mencionan observaciones que podrían sugerir algo así, pero esto ha de ser verificado todavía. Recordemos que los datos del segundo año del WMAP todavía no están publicados (tras más de un año de demora).
Gratamente sorprendido estoy de este artículo de prensa, que explica y resume de forma concisa y cabal los mecanismos físicos y las hipótesis que se proponen en http://arxiv.org/astro-ph/0506040 Rapid growth of high redshift black holes. Aviso: No es un artículo como otros, ya que requiere pararse a pensar lo que se lee.
Noticia: Un cúmulo galáctico en z = 1.4
http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=36646
Se trata de un cúmulo hecho y derecho, con gas intracumular con su emisión de rayos-X, y no es sólo una agrupación de galaxias (proto-cluster), como las que ya se han detectado incluso cerca de z = 4.
En la noticia se afirma:
This discovery calls for a reconsideration of current theories, since until recently astronomers believed that structures like this did not even exist at such early epochs. "We have underestimated how quickly the early Universe matured into its present-day incarnation," said Dr Piero Rosati, of the European Southern Observatory, Garching, Germany, and a member of the team. "It is now clear that the Universe grew up fast."
Lo cual me parece una afirmación bastante dudosa. La formación de cúmulos puede ser un fenómeno que se da por encima de z = 2 en el modelo cosmológico vigente. Fijémonos en estas hojas de J. Mohr, en http://cosmology.astro.uiuc.edu/~jmohr/, profesor de astronomía de la universidad de Illinois y autoridad en el tema de cúmulos galácticos.
(La linea azul de la primera hoja es el modelo cosmológico vigente). Los resultados que muestra aquí se basan en el formalismo de Press-Schechter, que ya he mencionado varias veces hablando sobre los cúmulos galácticos. Estos resultados son también soportados por simulaciones de la formación de estructuras en el modelo CDM.
El papel original del descubrimiento del cúmulo se puede encontrar en http://arxiv.org/abs/astro-ph/0503004.
Las anisotropías del fondo cósmico de microondas son desviaciones de la curva del cuerpo negro a una temperatura de 2,73° K. Su valor es de una diezmilésima de grado aproximadamente. Se clasifican en anisotropías primarias y secundarias. Las anisotropías primarias son anisotropías de cuando el universo tenía unos 400.000 años, es decir, eran desviaciones sobre la curva del cuerpo ya entonces y que se han mantenido hasta ahora. Si sólo existieran las anisotropías primarias veríamos hoy la misma imagen del fondo que entonces, solo que más fría. Pero esa imagen no es exáctamente la misma y la causa de ello son las anisotropías secundarias, que son generadas debido a la interacción de la radiación con la materia en el tiempo que va desde la recombinación hasta ahora.
Entre las anisotropías primarias se encuentran los picos acústicos. Antes de la recombinación existe un plasma de electrones, protones, neutrones y fotones, en el que los fotones interactúan con los electrones impidiéndolos ligarse a los protones para formar hidrógeno neutro. Por otro lado, la presión de la radiación actúa en contra de la gravitación de los bariones (protones y neutrones), impidiéndoles colapsar gravitacionalmente. La dinámica es como la de un oscilador armónico (un muelle): Una inhomogeneidad de densidad intentará colapsar, pero la presión de la radiación se lo impedirá y empezará a oscilar (compresiones y rarefacciones). Las inhomogeneidades de densidad se modelan separándolas en una serie de "modos" con distintas longitudes de onda. Una función cualquiera normalilla con altos y bajos -en este caso de densidad- puede ser descompuesta en una suma de sinusoidales (en el caso del cielo se trata de una suma de armónicos esféricos) cada una de las cuales contribuye con un factor. La compresión-rarefacción de mayor tamaño que podemos observar corresponde al colapso de una inhomogeneidad de densidad del tamaño del horizonte en aquella época. Inhomogeneidades mayores existen, pero no oscilan, al desaparecer el fluido inmediatamente después de la recombinación (los fotones se desacoplan de los bariones). Al tratarse de una compresión-rarefacción del fluido habrá un efecto directo sobre la temperatura de él y por tanto de los fotones, de ahí que sea una anisotropía.
Esa compresión-rarefacción la vemos hoy en los datos del fondo formando lo que se conoce como el “primer pico” correspondiente con un "modo" de una escala de un grado angular en el cielo (el modo l = 200). La potencia del primer pico da información sobre los potenciales gravitatorios existentes (la cantidad de materia), así como la dinámica de la oscilación (la fracción de bariones) y es la fuente esencial de información cosmológica en el fondo cósmico de microondas.
Una de las anisotropías secundarias es el efecto Sunyaev-Zeldovich (SZE). Para entenderlo mencionemos primero que los cúmulos galácticos contienen una gran cantidad de gas circundando a las galaxias. Se trata de un plasma ionizado, que tiene una masa de hasta seis veces mayor a la masa de la materia bariónica galáctica y que, dada su alta temperatura a unos 10^6 K, emite rayos-X. Los fotones del fondo cósmico de microondas interactúan con los electrones libres del gas intracumular (scattering de Compton inverso) y obtienen energía de ellos, saliéndose de la curva del cuerpo negro que conforman. El resultado es una anisotropía. Los fotones son desplazados a frecuencias mayores, cosa que resulta en que la parte de Rayleigh-Jeans del espectro de Planck parezca más fría y la parte de Wien más caliente. Como los detectores trabajan fundamentalmente en la parte de Rayleigh-Jeans se dice que el SZE provoca un enframiento. La anisotropía depende de la densidad y la temperatura de los electrones del medio intracumular, parámetros que están relacionados con la masa del cúmulo galáctico.
Para calcular la contribución del SZE al fondo (espectro angular del SZE) se procede de la siguiente forma: Se calcula la cantidad de cúmulos de distintas masa y para distintas distancias y tamaños, concrétamente, para distintos tamaños angulares en el cielo de los cúmulos galácticos. Cúmulos galácticos los hay desde varios grados (cúmulos de Virgo y Coma) hasta escalas de arcominuto y menores. De ahí, con su masa, se puede pasar a estimar la intensidad del efecto de Compton inverso a distintas escalas angulares. La contribución aumenta a medida que disminuye la escala angular.
La contribución del SZE al modo l = 200 (vease arriba) se cree bien determinada y se cree no excesivamente relevante, en teoría.
En la práctica la cosa es compleja. Para saber con certeza la contribución del SZE a las distintas escalas angulares, hace falta correlacionar espacialmente los cúmulos galácticos con sus conocidas masas, con anisotropías en el fondo, que correspondan al valor esperado. Esto no estaba al alcance de la tecnología hasta hace poco y los primeros estudios serios empiezan a aparecer.
En uno de ellos ya del 2003, del que se hace eco esta noticia también algo antigua, se afirma que la controbución del SZE es tal que el primer pico podría estar “contaminado” hasta un 30%, de forma que las conclusiones sobre el modelo cosmológico que se han obtenido hasta ahora de él serían incorrectas. Las conclusiones del estudio ya han sido puestas en duda aquí. No está dicha la última palabra todavía sobre este tema...
En el marco del proyecto Virgo de simulaciones cosmológicas se vienen realizando una serie de simulaciones colosales, de las cuales la más reciente es:
http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/press/
Publicada en una noticia de prensa el 2 de Junio (ver por ejemplo esta noticia en universetoday.com).
La página enlazada de la simulación vale la pena leerla. Es cortita de leer y contiene diagramas impresionantes, sobre la distribución de materia a distintas escalas y edades del universo.
