impedancibolivariano
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La gran macha fría en la constelación de Erídano (Eridanus) es la mayor anomalía entre las anisotropías térmicas del fondo cósmico de microondas. Ya en 2014 se propuso que su causa podría ser un supervacío gracias al efecto Sachs–Wolfe integrado (LCMF, 29 jul 2014; 20 abr 2015; 14 oct 2016); de hecho, hay indicios de un supervacío en la dirección de Erídano, pero parece insuficiente (LCMF, 04 may 2017). La colaboración DES (Dark Energy Survey) acaba de publicar su último estudio sobre este supervacío en Erídano, que, con una relación señal a ruido de S/N ≳ 5, es el más significativo en el campo que ha explorado. Se estima que tiene z < 0.2 (que está a unos 1900 millones de años luz de distancia) y que tiene un diámetro entre 500 a 1000 millones de años luz. Este supervacío en Erídano podría ser la causa de la gran mancha fría. Sin embargo, todavía no se puede estar seguro de ello, pues parece causar menos del 30 % del efecto necesario. Se necesitan futuros de mayor precisión para dilucidar esta cuestión.
La gran mancha fría (Cold Spot) fue observada en 2005 en el mapa del CMB del telescopio espacial WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) de la NASA y fue confirmada por el telescopio espacial Planck de la ESA. En su centro alcanza una anomalía térmica de ΔT ≈ −150 μK que implica una fluctuación térmica de unas tres sigmas de significación estadística respecto a la distribución gaussiana de las anisotropías térmicas observada. Desde su descubrimiento se han propuesto varias explicaciones (algunas usando nueva física), pero en la actualidad solo se consideran tres hipótesis razonables: (1) como solo tiene tres sigmas, podría ser una simple fluctuación estadística, que no necesita mayor explicación; (2) podría existir un gran supervacío en la dirección de Erídano que deformara el mapa de anisotropías térmicas localmente y explicara casi el 100 % de la anomalía ΔT; y (3) una explicación combinada de las otras dos, así bastaría un supervacío que explicara menos del 50 % de la anomalía ΔT, acompañado de una fluctuación térmica a menos de dos sigmas. Hoy en día todo apunta a que esta última explicación es la más razonable.
Un supervacío es una región con una densidad de materia menor de la densidad media cuyo efecto es crear un pozo de potencial gravitacional. Las regiones con mayor densidad de materia que la media (los supercúmulos galácticos) distorsionan localmente el mapa del CMB gracias al efecto Sunyaev–Zeldovich; dicho efecto es similar al efecto de lente gravitacional, pero está descartado en el caso de la gran mancha fría (pues no se ha observado ningún supercúmulo en la dirección de Erídano). Las regiones con menor densidad de masa que la media (los supervacíos) distorsionan el mapa del CMB gracias al efecto de Sachs–Wolfe integrado debido a un cambio en el potencial gravitacional con la distancia; dicho efecto es similar al desplazamiento al rojo gravitacional, siendo su efecto apreciable solo para supervacíos cercanos (z < 2), ya que para z ≳ 2 la expansión cósmica está en equilibrio con el campo gravitacional y los cambio en el potencial gravitacional campo son prácticamente nulos.
Un gran supervacío (R ≳ 200 h⁻¹ Mpc) en z ≈ 1 podría explicar la gran mancha fría. Por desgracia, en la dirección de Erídano se excluyó la existencia de supervacíos con z ≳ 0.3. Pero en 2015 se encontró un supervacío cercano a z ≈ 0.15, el llamado supervacío de Erídano; por fortuna, su tamaño es suficiente para explicar la proyección en el cielo de la gran mancha fría. Sin embargo, para asegurarlo había que evaluar el efecto de Sachs–Wolfe integrado para dicho supervacío; este efecto caracteriza se suele caracterizar por la cociente AISW = ΔTobs/ΔTΛCDM; para el supervacío de Erídano los modelos computacionales predicen un valor AISW ≈ 1, que solo puede explicar una fluctuación térmica ΔT ≈ −20 μK. Así, la opinión general es que este supervacío solo podría explicar entre un 10 % y un 20 % de la gran mancha fría. Por ello en este blog puedes leer piezas que afirman que se descartaba que un supervacío sea su explicación.
No se ha descartado de forma definitiva la explicación del supervacío porque tanto BOSS DR12 como DES Y3 han observado otros supervacíos capaces de alcanzar AISW ≈ 5.2 ± 1.6, para 0.2 < z < 0.9, suficiente para explicar una fluctuación térmica de ΔT ≈ −150 μK; por desgracia, ninguno está en la dirección de Erídano. La única esperanza es que haya otros supervacíos aún no observados detrás del supervacío de Erídano que incrementen el efecto de Sachs–Wolfe integrado hasta alcanzar AISW ≈ 5. Esta es la razón por la que la Colaboración DES publica un nuevo estudio del cielo en la región supervacío de Erídano para 0.07 < z < 0.45 (su resultado se muestra en esta figura).
DES confirma la existencia del supervacío para z ≈ 0.15, junto a una pequeño sobredensidad a z ≈ 0.2; también se detectan dos vacíos más pequeños a mayor z. Al tenerlos en cuenta en el análisis del efecto de Sachs–Wolfe integrado resulta que podrían explicar mucho un 30 % de la gran mancha fría. O bien se recurre a la explicación combinada, o bien existen supervacíos aún no observados entre 0.45 < z < 1.0, o bien hay que modificar el modelo cosmológico de consenso (el último recurso para todos los cosmólogos).
Por cierto, un problema adicional de los supervacíos en la dirección de Erídano para explicar la gran mancha fría es que, según el modelo cosmológico de consenso (ΛCDM), la formación de estos supervacíos con las características adecuadas requiere una fluctuación en la densidad de materia de más de cinco sigmas. Esto no solo hace muy improbable su existencia, sino que además va en contra de la navaja de Ockham: no parece razonable explicar una anomalía térmica a tres sigmas con un supervacío (o una combinación de varios en la línea de visión) cuya formación requiere cinco sigmas. No parece muy atractiva explicar una anomalía a tres sigmas con una anomalía diferente a cinco sigmas.
En resumen, a pesar de que la última frase del resumen del artículo de DES afirma que «sus resultados confirman la relación causal» entre el supervacío de Erídano y la gran mancha fría, los nuevos resultados nos dejan con la miel en los labios. Se necesitan futuros estudios para dilucidar la cuestión de forma definitiva; quizás el telescopio espacial Euclid de la ESA, que se lanzará en 2023, pueda ofrecer la última palabra (o quizás no, porque su objetivo es estudiar la distribución de materia en el universo a z ≈ 2). La explicación combinada, que la fluctuación térmica es más pequeña de lo que parece debido a la presencia de un supervacío insuficiente para explicarla por sí solo, parece ganar enteros gracias a este nuevo trabajo de DES.
