la asimetría del CMB implica un universo abierto?.

La densidad de materia y energía parece variar con más fuerza en un lado del cielo frente a otros. Esta sorprendente conclusión se basa en la evidencia de dos recientes estudios en profundidad del fondo cósmico de microondas(CMB), la radiación térmica dejada por el Big Bang. Para explicar esta asimetría hemisférica, los modelos anteriores [ver aquí] suponían que la distribución de la fluctuaciones materia /energía se comportaba de manera diferente más allá de una determinada escala de distancia, que es sólo un poco más grande que el tamaño del universo observable. Sin embargo, el origen de esta escala fundamental de distancia se quedó sin explicación. Ahora, Andrew Liddle y Marina Cortes de la Universidad de Edimburgo, Reino Unido, postulan [ver aquí] que esta escala de distancias puede representar el radio de curvatura de un universo con curvatura negativa (o "abierto"). En la revista Physical Review Letters, los investigadores muestran cómo una asimetría "curvatura-inducida" puede surgir naturalmente, si el Universo es abierto y nació a través de un proceso llamado nucleación de burbujas. Los cosmólogos han aprendido mucho acerca de nuestro Universo utilizando el CMB como un indicador de la temperatura cósmica. Las fluctuaciones espaciales en la señal de microondas proporcionan una ventana a las fluctuaciones de densidad primordiales que fueron semillas de las galaxias y otras estructuras cósmicas. Estas fluctuaciones se han medido con una precisión exquisita por dos misiones espaciales recientes: el satélite Planck [ver aquí] y la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson (WMAP) [ver aquí y aquí]. Los datos han confirmado muchas de las predicciones de la inflación, un hipotético período de expansión acelerada que ocurrió una pequeña fracción de segundo después del Big Bang.Pero algunas discrepancia o anomalías se mantienen En particular, la predicción estadística de homogeneidad (la similitud en la distribución de las fluctuaciones de densidad primordiales en todas partes en el espacio), ha sido puesta en duda por las mediciones del CMB. Tanto la Colaboración Planck y el equipo de WMAP han informado de una diferencia en estas fluctuaciones en dos hemisferios opuestos del cielo, más o menos divididas a lo largo del plano de la eclíptica (el plano definido por la órbita de la Tierra alrededor del Sol).La temperatura media es la misma en ambos hemisferios, pero la varianza (o discrepancia) es más o menos 10 % más grande en un lado del cielo en comparación con el otro cuando los datos se dividen en parches que son de 3 º de ancho o mucho mayor(véase la fig. 1, parte superior).





fig 1 , en la parte superior las fluctuaciones de temperatura sobre las grandes escalas son mayores en la parte derecha de este mapa del CMB.En la parte inferior de acuerdo al modelo de inflación abierta nuestro universo nació vía nucleación de burbujas dentro de un más grande metauniverso dibujado aquí con 2 dimensiones espaciales .Desde la perpectiva del metauniverso las burbujas se forman en el tiempo T₀ y se expanden hacia afuera como es mostrado con anillos rojos en los tiempo T₁ ,T₂ y T₃.En el espacio tridimensional esta expansión forma una "pared de burbuja" que actúa como el punto inicial ( t₀ ) de nuestro universo.Los subsequentes tiempos ( t₁,t₂ y t₃ ) son definidos sobre hipersuperficies encima de la pared de burbuja,Las lineas amarillas muestran las trayectorias de posición constante en el espacio dentro de este universo abierto.Crédito.ESA and the Planck Collaboration/Alan Stonebraker.


Antes de continuar, hay que señalar que la significación estadística de los resultados sigue siendo objeto de debate. Mientras que la asimetría es significativa en el nivel ≳ 3 σ, algunos se preguntan si es simplemente una consecuencia del efecto "mirar -en otro lugar", es decir, que la prueba de todo tipo de anomalías en el CMB, y el espacio de parámetros investigados es tan grande que no es de extrañar que, por casualidad, uno de los parámetros muestre un resultado positivo. Los Modelos cosmológicos hacen predicciones estadísticas sobre la distribución de las fluctuaciones de temperatura en un conjunto de cielos del CMB, pero tenemos un solo cielo del CMB para observar. Por lo tanto, si la asimetría observada es una casualidad estadística, nos quedamos ahí, con ella, porque no hay manera de aumentar las estadísticas de esta medida en particular.Pero si la asimetría es real y no sólo una casualidad estadística, entonces es muy importante. Bien puede ser un remanente del Universo preinflacionario! Varios teóricos han desarrollado modelos físicos de la asimetría con la esperanza de que estos modelos harán otras predicciones que pueden probarse empíricamente. Estos modelos deben generar fluctuaciones de temperatura más fuertes en un lado del universo observable, si bien mantienendo la temperatura media igual en ambos lados, hasta en un 0.1 %. Por otra parte, los modelos asimétricos deben conservar la forma casi Gaussiana (mejor que una parte en 10⁴  ) en las distribuciones de las fluctuaciones primordiales en una escala angular particular. Una forma de explicar la asimetría es modificar el modelo inflacionario. La teoría básica de la inflación supone que la rápida aceleración es impulsada por un campo escalar cuántico, llamado el inflatón. Las perturbaciones en este campo se cree generalmente que son el origen de las fluctuaciones primordiales, pero es posible que las fluctuaciones provengan de un segundo campo escalar, llamado el curvatón. A través de esta adición, el inflatón, que controla la densidad total del universo, puede permanecer homogéneo, mientras que una fluctuación de longitud de onda larga en el curvatón puede modular la amplitud de la densidad de perturbación. En el 2008, un grupo de teóricos desarrolló un modelo preliminar en la que una fluctuación particular del curvatón podría explicar la asimetría CMB [ver aquí]. Ese modelo y los parecidos a él, simplemente han sacado la fluctuación del curvatón desde un sombrero, eligiendo su amplitud y longitud de onda para generar la asimetría observada. Por el contrario, Liddle y Cortés sugieren que el modo curvatón está directamente relacionado con la escala de curvatura en un universo ligeramente abierto. Un, universo abierto curvado negativamente, donde las líneas paralelas divergen (como en una silla de montar), se produce cuando la densidad total es menos de la denominada densidad crítica, en la que la energía potencial gravitatoria de la gravedad coincide con la energía cinética de la expansión La evidencia reciente sugiere que nuestro Universo tiene una geometría plana en lugar de curvada, pero las mediciones en curso permiten un universo en el que la densidad total difiere como mucho en un 1 % de la densidad crítica. Por lo tanto, es concebible que el Universo que parece plano, este en realidad curvado con un radio característico que se extiende más allá de nuestro horizonte observable por no más de un orden de magnitud. Liddle y Cortés proponen que este radio de curvatura superhorizonte establece la longitud de onda de la fluctuación curvatón generadora de asimetría. A continuación, muestran que la amplitud de la fluctuación curvatón surge de forma natural en los modelos de " inflación abierta", desarrollados en la década de 1990 [ver aquí],en el que nuestro universo observable forma como una burbuja dentro de un metauniverso más grande. Esta burbuja nace, o nuclea, a través de un evento de tunelización cuántica, en el que el vacío cambia de un estado de energía a otro. La burbuja se expande a una velocidad que se aproxima a la velocidad de la luz. Uno no adivina inmediatamente que un Universo abierto, que tiene volumen infinito, puede ser encerrado dentro de una burbuja finita. Sin embargo, es posible cuando uno se da cuenta de que el tiempo se define dentro de la burbuja de una manera diferente que en el exterior (véase la fig. 1, parte inferior). Si nos limitamos a dos dimensiones espaciales, entonces un tiempo concreto de nuestro universo es una infinita hoja curveada, o hipersuperficie, en el espacio-tiempo del más grande metauniverso. De acuerdo con el modelo de inflación abierta, el evento de tunelización cuántica que da nacimiento a la burbuja también inducirá fluctuaciones en la pared de la burbuja. Estas fluctuaciones en la pared de la burbuja se imprimen a sí mismas en las fluctuaciones curvatón. Debido a la curvatura de un universo abierto, la descomposición de Fourier de estas fluctuaciones no es la misma, que sería en el espacio euclidiano plano. Para longitudes de onda mayores que la escala de curvatura, la generalización Universo-abierto de modos de Fourier debe ser aumentada por un nuevo conjunto de modos "supercurvatura" [ver aquí]. Estos modos supercurvatura describen las fluctuaciones de densidad que resultan de las fluctuaciones de la pared de la burbuja [ver aquí]. Liddle y Cortés muestran que con una adecuada elección de parámetros, el modelo de inflación abierta puede generar una fluctuación curvatón de longitud de onda larga con la amplitud requerida para tener en cuenta la asimetría del CMB. El universo resultante es consistente con los límites de la densidad total, así como con la Gaussianidad en la distribución de fluctuación. Sin embargo el trabajo de Liddle y Cortés no es completo. La asimetría en su modelo es,independiente de la escala. Eso sugiere que los dos lados del cielo deberían tener diferentes amplitudes de fluctuación de densidad para sectores más pequeños que 3 º. Pero las observaciones astronómicas no lo confirman. Los cuásares, por ejemplo, aparecen típicamente en regiones de alta densidad que se extienden sobre 1 / 100 de un grado, y su abundancia difiere por menos de 1 % en ambos lados de el cielo [ver aquí]. Trabajo adicional se debe hacer para incorporar una asimetría dependiente de la escala en los modelos basados en la curvatura. Una posibilidad es tener tanto al inflatón como al curvaton jugando papeles principales en la generación de las perturbaciones primordiales [ver aquí y aquí ].¿Hay alguna manera de probar este nuevo modelo? El tiene muchas de las mismas predicciones que los modelos anteriores de Gaussianidad, escala -dependencia, y de temperatura a pequeña escala del CMB / fluctuaciones de polarización  [ver aquí]. Pero ella se distingue en la predicción de que el Universo debe ser un poco abierto.La cantidad de curvatura es pequeña, pero puede ser detectable por la colaboración de Planck a medida que más y más de los datos se analizen. De lo contrario, es posible que tengamos que esperar a que un satélite de próxima generación del CMB mejore la sensibilidad de Planck.





artículo del físico Marc Kamionkowski para physics.aps.






fuente de la información:






 http://physics.aps.org/articles/v6/98