COSMOLOGIA CICLICA

Roger Penrose popularizó su cosmología cíclica conforme (CCC) de 2005 en su libro de divulgación «Ciclos del tiempo», Debate (2010). Predice parejas de círculos concéntricos de menos de 2º de radio en el fondo cósmico de microondas (CMB) llamados puntos de Hawking. Desde 2008 se han observado estos patrones, pero eran de mayor tamaño del esperado. En su último artículo se observan unas decenas con el tamaño esperado. ¿Confirman el modelo CCC? No, pues para los cosmólogos expertos en el análisis de los mapas del CMB de las colaboraciones WMAP y Planck se trata de simples pareidolias (interpretar imágenes como caras). Ellos no las observan, así que deben ser producto de un sesgo de confirmación.

 

En varios medios se han hecho eco de este trabajo (como suele ser habitual con todos los de Penrose). Se afirma a la ligera que los puntos de Hawking son señales de Física anterior al big bang. Sin embargo, esta afirmación es pura especulación. El modelo CCC de Penrose no tiene una formulación teórica precisa que permita realizar predicciones firmes. Solo es un conjunto difuso de ideas, posibles soluciones a posibles problemas, sin que haya modelos matemáticos precisos que las sustenten. Por ello, aunque admire a uno de los grandes físico-matemáticos de los últimos 60 años, debemos ser muy escépticos sobre estas ideas. Lo siento, pero aún somos incapaces de observar señales anteriores a la inflación cósmica.Una búsqueda independiente de estos círculos en el CMB los ha encontrado un 87 % C.L., es decir, con 1 σ (lo que implica es que son un artefacto estadístico, una simple fluctuación estadística). Por tanto no existen indicios estadísticamente significativos de su existencia

 

Penrose detesta la inflación cósmica, el Multiverso y que el principio cosmológico no se aplique al tiempo, solo al espacio; por ello prefiere un Universo eterno en el que se suceden infinitos «eones», cada uno iniciado con algo parecido a un big bang y finalizado con algo parecido a una muerte térmica que da inicio de un nuevo «eón». Esta idea contradice las observaciones cosmológicas, pero no le importa, pues supone todo un reto para su mente idear soluciones matemáticas a cada problema que surge, que describen Física exótica más allá del modelo estándar. Por ello las ideas de Penrose disgustan a los csmólogos, a los físicos relativistas y a los físicos de partículas. Sin embargo, los medios se hacen eco, pues la fama de Penrose atrae mucho al público.

El tránsito entre eones requiere que el Big Bang y el Universo tras su muerte térmica sean muy parecidos entre sí (por ejemplo, la constante cosmológica se mantiene constante durante el tránsito). Penrose propone que la Física que los describe tiene simetría conforme, es decir, es invariante a cambios en la escala. La teoría de Einstein para la gravitación no es una teoría conforme; el tensor de curvatura de Riemann se puede descomponer en dos trozos, el tensor conforme de Weyl y el tensor (no conforme) de Einstein, solo este último aparece en la teoría por culpa de la masa de las partículas. La masa no es un problema en el Big Bang, que entonces ninguna partícula tenía masa; la adquieren gracias al campo de Higgs en la transición de fase electrodébil justo antes del primer nanosegundo. Al final de cada eón (tras unos 10¹⁰⁰ años) el Universo está dominado por partículas sin masa, fotones y gravitones, resultado de la evaporación de los agujeros negros supermasivos, luego parece tener simetría conforme. Sin embargo, también habrá partículas con masa, resultado de la fase final de evaporación, y cuerpos masivos aislados que escaparon de ser tragados por los agujeros negros y vagan por doquier. ¿Qué pasa con estas partículas masivas?

 

Penrose no nos ofrece una buena solución (aunque siendo «pocas» partículas masivas su contribución a la entropía total es pequeña). Aun así, le agrada la desintegración del protón predicha por las teorías de gran unificación (GUT); pero le gustaría algún modo de deshacerse de los electrones y positrones. En su opinión, la masa es inestable en un espaciotiempo de tipo de Sitter (con constante cosmológica positiva, Λ>0) y se desintegra de forma lenta al final de cada eón. Recuerda que el grupo de Poincaré que describe las simetrías de un espaciotiempo tipo Minkowski (Λ=0) tiene dos operadores de Casimir, la masa en reposo y el espín intrínseco. Sin embargo, el grupo que describe las simetrías del espaciotiempo tipo de Sitter solo tiene un operador de Casimir, el espín intrínseco; la masa en reposo no es un operador de Casimir porque hay un pequeño término adicional que depende de Λ. Sin embargo, la desintegración de la masa no es una solución del todo satisfactoria.

 

Otro gran problema conceptual de los Universos cíclicos es la segunda ley de la termodinámica. La entropía no puede decrecer, luego en el inicio de cada eón (como en el big bang) la entropía tuvo un valor mínimo y al final de cada eón (como en la muerte térmica) alcanza un valor máximo; de hecho, la inflación cósmica desagrada a Penrose porque incrementa la entropía. ¿Cómo se puede destruir toda la entropía del Universo en el tránsito de un eón al siguiente? El genio británico recurre a su amigo y compatriota Stephen W. Hawking. Gracias a la pérdida de información en los agujeros negros hay una pérdida de grados de libertad que reduce el volumen del espacio de fases y la entropía total. Como la muerte térmica del Universo estará dominada por agujeros negros supermasivos, su evaporación por radiación de Hawking vendrá acompañada de una destrucción masiva de entropía.

 

 

 

 

¿Qué señales observacionales predice la cosmología cíclica conforme? Como solo podemos explorar el Universo temprano mediante el fondo cósmico de microondas (CMB), Penrose predice una señal en el CMB gracias a la materia oscura. El campo ϖ tras en el inicio de un eón se ve afectado por la radiación gravitacional originada en la fusión de parejas de agujeros negros supermasivos en el eón anterior. En concreto, las ondas gravitacionales se propagan con un frente esférico (S²) que al interaccionar con la esfera (S²) donde se encuentra el CMB observado desde la Tierra conduce a una señal en forma de círculo (S¹). Según la predicción de Penrose estos patrones se observarán como dos círculos concéntricos (el interior más frío y el exterior más caliente que la temperatura promedio); en el CMB el círculo exterior debe tener un radio angular menor de 2º (0.035 radianes). El diámetro de la Luna y el Sol en el cielo es de unos 0.5º.

 

El último capítulo del libro «Ciclos del tiempo» nos cuenta que David Spergel (Univ. Princeton) y su joven postdoc Amir Hajian buscaron estos círculos concéntricos en 2008 en los mapas del CMB de WMAP; encontraron círculos con un radio entre 8.4° y 12.4°, enormes en comparación con las expectativas de Penrose. Antes de aceptar una refutación de su teoría, nuestro genio británico emprendió en 2010 su propia búsqueda junto a Vahe G. Gurzadyan. Como no podía ser de otra manera encontraron muchas señales similares, pero también alguna que otra pareja de círculos concéntricos con radios entre  2º y 3°. Una posible explicación sencilla: la anomalía del multipolo ℓ=40 en el espectro de multipolos de WMAP

 

 

Búsquedas posteriores de Penrose y Gurzadyan encontraron hasta 352 señales de parejas de círculos, pero la mayoría eran demasiado grandes para ser compatibles con las predicciones del modelo CCC. Estas señales eran consideradas pareidolias por la mayoría de los cosmólogos expertos en el fondo de microondas; ni los cientos de cósmológos de la colaboración WMAP (NASA), ni los cientos de la colaboración Planck (ESA) encontraron ningún indicio de los círculos concéntricos de Penrose y Gurzadyan (a pesar de que los buscaron como señales de posibles defectos cosmológicos debidos a la inflación cósmica).

 

 

¿Pareidolias en el CMB? Aquí muestro dos ejemplos en el mapa de WMAP 7. Como el CMB es ruido gaussiano (amplificado a gran escala por la inflación cósmica), a veces aparecen patrones que un humano interpreta como figuras reconocibles; se trata de pareidolias en toda regla. El mismo fenómeno aparece cuando buscamos círculos (en realidad arcos de círculos) concéntricos mediante un software que aplique una máscara de reconocimiento; la mayoría de estas señales son simples pareidolias, a pesar de que el artículo esté firmado por el mismísimo Penrose. Así lo interpretan todos los cosmólogos expertos en el análisis detallado de los mapas del CMB.

 

Así llegamos al nuevo artículo del genio británico, junto a Daniel An (SUNY Maritime College, New York, EE UU) y  Krzysztof A. Meissne (Univ. Varsovia, Polonia) que analiza los mapas del CMB de WMAP 9 y Planck 2015 (DR2); como se usan los mapas de anisotropías térmicas no es necesario usar los resultados de Planck 2018 (DR3), que solo han cambiado (mejorado) en los mapas de polarización. Lo más relevante del nuevo artículo es que bautiza la señal de círculos concéntricos en el CMB como puntos de Hawking en honor a su reciente deceso. Por lo demás, se observan unos 10 puntos de Hawking (pequeñas elipses negras en esta figura) junto a otros 10 candidatos (pequeñas elipses grises). En entre ellas destaca una señal muy clara en la ventana observacional de BICEP 2 (donde se observaron modos B cuyo origen era la emisión del polvo galáctico). No hay problema, pues los falsos modos B debidos al polvo galáctico se observaron en la polarización, que aquí no se usa.

 

¿Cuántos puntos de Hawking predice el modelo CCC? Hay miles de millones de agujeros negros supermasivos en el Universo visible en nuestro eón, luego en el eón anterior se puede estimar un número similar; aún así, estimar el número fusiones que hayan dejado una huella en el CMB de nuestro eón es difícil; según el día Penrose estima entre miles y millones. Solo se han observado decenas de puntos de Hawking, luego en algunos blogs se afirma que observar solamente decenas en lugar de millones refuta el modelo CCC. El modelo CCC es tan ambigüo que no es posible realizar estimaciones fiables. Así que, en rigor, no podemos criticarlo a la ligera solo por el número de puntos de Hawking observados hasta ahora. Pero, por supuesto, tampoco podemos afirmar que observar unos pocos puntos de Hawking confirma el modelo CCC. Ni mucho menos podemos decir que se trata de señales de Física anterior al big bang.

 

 

El problema de los puntos de Hawking en el CMB es que los cosmólogos que han analizado los mapas de los telescopios espaciales WMAP (NASA) y Planck (ESA) no han encontrado ningún tipo de señal de estos círculos. Y las han buscado como parte de sus análisis de posibles defectos cósmicos (cuerdas cósmicas, paredes de dominio, etc.). Para la mayoría de los cosmólogos las observaciones de Penrose y sus colegas son simples pareidolias. Para hacer ciencia en cosmología hay que tener un modelo teórico bien definido; el modelo de consenso ΛCDM ajusta a la perfección las observaciones (al menos tan bien como se puede realizar el ajuste teniendo en cuenta la incertidumbre de los propios datos). Por desgracia, la propuesta de Penrose no está apoyada por un modelo teórico que permita realizar un ajuste similar; se limita a un listado de posibles fuentes de Física exótica sin precisar una formulación matemática precisa. Por ello, el modelo CCC te puede gustar o disgustar, pero no es ciencia, es solo una especulación

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En resumen, no se han observado señales de Física anterior al big bang, no se han confirmado la maraña de ideas que Penrose agrupa en su modelo CCC, y no se ha realizado cosmología rigurosa. Solo estamos ante un nueva ocurrencia del chico malo de la cosmología, el genial Sir Roger Penrose. Su libro «Ciclos del tiempo» está muy bien, pero debe leerse con un alto grado de escepticismo. Hay que educar nuestro escepticismo de forma continua, incluso ante las boutades de los genios a los que admiramos, sean o no premios Nobel.

 

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