La reciente “tensión de Hubble” en cosmología, marcada por mediciones contradictorias de la tasa de expansión, plantea dudas sobre el modelo cosmológico estándar. Una nueva teoría postula que un vacío gigante de baja densidad podría explicar estas discrepancias, desafiando las opiniones tradicionales sobre la distribución de la materia en el Universo y sugiriendo una posible revisión de la teoría gravitacional de Einstein.

Los cosmólogos proponen un vacío gigante en el espacio como solución a la “tensión de Hubble”, desafiando los modelos convencionales y sugiriendo una revisión de la teoría de la gravedad de Einstein.

Uno de los mayores misterios de la cosmología es el ritmo al que se expande el universo. Esto se puede predecir utilizando el modelo estándar de cosmología, también conocido como Materia oscura lambda fría (ΛCDM). Este modelo se basa en observaciones detalladas de la luz sobrante del Big Bang – la llamada radiación cósmica de fondo de microondas (CMB).

La expansión del universo hace que las galaxias se alejen unas de otras. Cuanto más lejos están de nosotros, más rápido se mueven. La relación entre la velocidad de una galaxia y la distancia se rige por la «constante de Hubble», que es aproximadamente 43 millas (70 km) por segundo por megaparsec (una unidad de longitud en astronomía). Esto significa que una galaxia gana alrededor de 50,000 millas por hora por cada millón de años luz está lejos de nosotros.

Pero desafortunadamente para el modelo estándar, este valor ha sido cuestionado recientemente, lo que ha llevado a lo que los científicos llaman «Voltaje del Hubble». Cuando medimos la tasa de expansión utilizando galaxias y supernovas cercanas (estrellas en explosión), es un 10% más alta que cuando la predijimos basándonos en el CMB.

Concepción artística del Vacío Gigante y los filamentos y paredes que lo rodean. Crédito: Pablo Carlos Budassi

En nuestro nuevo rol, presentamos una posible explicación: que vivimos en un vacío gigante en el espacio (un área con una densidad inferior a la media). Demostramos que esto podría inflar las mediciones locales a través de salidas de materia del vacío. Las corrientes surgirían cuando regiones más densas alrededor de un vacío lo separan; ejercerían una atracción gravitacional mayor que la materia de menor densidad dentro del vacío.

En este escenario, tendríamos que estar cerca del centro de un vacío de unos mil millones de años luz de radio y con una densidad aproximadamente un 20% inferior a la media del Universo en su conjunto, por lo que no estaría completamente vacío.

Un vacío tan grande y profundo es inesperado en el modelo estándar y, por tanto, controvertido. El CMB proporciona una instantánea de la estructura del universo primitivo, lo que sugiere que la materia actual debería estar distribuida de manera bastante uniforme. Sin embargo, contar directamente el número de galaxias en diferentes regiones de hecho sugiere Estamos en un vacío local.

Ajustando las leyes de la gravedad.

Queríamos probar esta idea más a fondo comparando muchas observaciones cosmológicas diferentes, asumiendo que vivimos en un gran vacío que creció a partir de una pequeña fluctuación de densidad en los primeros tiempos.

Para hacer esto, nuestro modelo no incorporó ΛCDM, sino una teoría alternativa llamada Dinámica Newtoniana Modificada (MUNDO).

MOND se propuso originalmente para explicar las anomalías en las velocidades de rotación de las galaxias, lo que llevó a la sugerencia de una sustancia invisible llamada «materia oscura». En cambio, MOND sugiere que las anomalías pueden explicarse por la ley de gravedad de Newton, que falla cuando la atracción gravitacional es muy débil, como es el caso en las regiones exteriores de las galaxias.

La historia general de la expansión cósmica en MOND sería similar a la del Modelo Estándar, pero la estructura (como los cúmulos de galaxias) crecería más rápidamente en MOND. Nuestro modelo captura cómo se ve el universo local en un universo MOND. Y descubrimos que esto permitiría que las mediciones locales de la tasa de expansión actual fluctuaran dependiendo de nuestra ubicación.

Fluctuaciones de temperatura del CMB: La imagen detallada de todo el cielo del universo infantil, creada a partir de nueve años de datos WMAP, revela fluctuaciones de temperatura que abarcan 13,77 mil millones de años (mostradas como diferencias de color). Crédito: Equipo científico de la NASA/WMAP

Observaciones recientes de galaxias han permitido una nueva prueba crucial de nuestro modelo basada en la velocidad que predice en diferentes ubicaciones. Esto se puede hacer midiendo algo llamado flujo volumétrico, que es la velocidad promedio de la materia en una esfera determinada, densa o no. Esto varía con el radio de la esfera, con observaciones recientes demostración Esto continúa hasta mil millones de años luz.

Curiosamente, el voluminoso flujo de galaxias a esta escala cuadruplicó la velocidad esperada en el modelo estándar. También parece aumentar con el tamaño de la región considerada, contrariamente a lo que predice el modelo estándar. La probabilidad de que esto sea consistente con el modelo estándar es menos de una entre un millón.

Esto nos llevó a observar lo que nuestro estudio predijo para el flujo másico. Descubrimos que produce un muy buen resultado. fósforo a las observaciones. Esto requiere que estemos muy cerca del centro del vacío y que el vacío esté más vacío en su centro.

¿Caso cerrado?

Nuestros resultados llegan en un momento en que las soluciones populares al estrés del Hubble están en problemas. Algunos creen que simplemente necesitamos mediciones más precisas. Otros piensan que esto se puede resolver asumiendo que la alta tasa de expansión que medimos localmente es en realidad lo correcto. Pero esto requiere un pequeño ajuste en la historia de la expansión en el universo temprano para que el CMB todavía parezca correcto.

Desafortunadamente, un análisis influyente destaca siete problemas con este enfoque. Si el universo se expandiera un 10% más rápido durante la gran mayoría de la historia cósmica, también sería aproximadamente un 10% más joven, lo que contradice la idea. siglos de las estrellas más antiguas.

La existencia de una brecha local profunda y extensa en el número de galaxias y los rápidos flujos observados sugieren fuertemente que la estructura crece más rápido de lo esperado en ΛCDM en escalas de decenas a cientos de millones de años luz.

Esta es una imagen del Telescopio Espacial Hubble del cúmulo de galaxias más masivo jamás visto cuando el universo tenía sólo la mitad de su edad actual de 13.800 millones de años. El cúmulo contiene varios cientos de galaxias que pululan bajo la atracción gravitacional colectiva. Se estima que la masa total del cúmulo, tal como se refina en las nuevas mediciones del Hubble, pesa hasta 3 millones de billones de estrellas como nuestro Sol (unas 3.000 veces la masa de nuestra Vía Láctea), aunque la mayor parte de la masa está oculta. como materia oscura. La ubicación de la materia oscura está representada en la superposición azul. Como la materia oscura no emite radiación, los astrónomos del Hubble miden con precisión cómo su gravedad distorsiona las imágenes de galaxias distantes, como un espejo de feria. Esto les permitió llegar a una estimación de la masa del cúmulo. El cúmulo recibió el sobrenombre de El Gordo en 2012, cuando las observaciones de rayos X y los estudios cinemáticos sugirieron por primera vez que era inusualmente masivo para la época en que existió en el universo temprano. Los datos del Hubble confirmaron que el grupo está experimentando una fusión violenta entre dos grupos más pequeños. Crédito: NASA, ESA y J. Jee (Universidad de California, Davis)

Curiosamente, sabemos que el enorme cúmulo de galaxias El Gordo (ver imagen arriba) se formó muy temprano en la historia cósmica y tiene una masa y una velocidad de colisión demasiado altas para ser compatible con el modelo estándar. Esta es una prueba más de que la estructura se forma muy lentamente en este modelo.

Dado que la gravedad es la fuerza dominante en escalas tan grandes, probablemente tendremos que ampliar la teoría de la gravedad de Einstein, la Relatividad General, pero sólo a escalas mayores. más grande que un millón de años luz.

Sin embargo, no tenemos una buena manera de medir cómo se comporta la gravedad a escalas mucho mayores: no existen objetos tan grandes ligados gravitacionalmente. Podemos asumir que la Relatividad General sigue siendo válida y compararla con las observaciones, pero es precisamente este enfoque el que conduce a las tensiones muy graves que enfrenta actualmente nuestro mejor modelo de cosmología.

Se cree que Einstein dijo que no podemos resolver problemas con el mismo pensamiento que condujo a los problemas en primer lugar. Incluso si los cambios necesarios no son drásticos, es posible que estemos siendo testigos de la primera evidencia confiable en más de un siglo de que necesitamos cambiar nuestra teoría de la gravedad.

Escrito por Indranil Banik, investigador postdoctoral en Astrofísica, Universidad de St Andrews.

Adaptado del artículo publicado originalmente en La conversación.