¿Hay un vacío gigantesco que separa el universo?

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 la rapidez con la 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 de Big Bang – el llamado fondo cósmico 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 y la distancia de una galaxia se rige por la «constante de Hubble», que es de aproximadamente 43 millas (70 km) por segundo por megaparsec (una unidad de longitud en astronomía). Esto significa que una galaxia alcanza 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 el «Voltaje del Hubble». Cuando medimos la tasa de expansión utilizando galaxias y supernovas cercanas (estrellas en explosión), es un 10% mayor que cuando la predecimos basándonos en el CMB.

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

En nuestro Nueva tarjeta, presentamos una posible explicación: que vivimos en un enorme vacío en el espacio (un área con una densidad inferior a la media). Mostramos que esto podría inflar las mediciones locales a través de salidas de materia del vacío. Las salidas se producirían cuando las regiones más densas que rodean un vacío lo separan: ejercerían una atracción gravitacional mayor que la materia de menor densidad dentro del vacío.

En este escenario, deberíamos 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 estaríamos completamente vacíos.

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

Cambiando las leyes de la gravedad.

Queríamos probar más esta idea comparando muchas observaciones cosmológicas diferentes, asumiendo que vivimos en un gran vacío crecido por una pequeña fluctuación de densidad en la antigüedad.

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

MOND se propuso originalmente para explicar las anomalías en la velocidad de rotación de las galaxias, lo que llevó a la hipótesis de la existencia de una sustancia invisible llamada “materia oscura”. MOND sugiere en cambio que las anomalías pueden explicarse por el hecho de que la ley de gravedad de Newton no se cumple cuando la atracción gravitacional es muy débil, como en el caso de las regiones exteriores de las galaxias.

La historia general de la expansión cósmica en el MOND sería similar al modelo estándar, pero la estructura (como los cúmulos de galaxias) crecería más rápido en el MOND. Nuestro modelo captura cómo se vería 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: Imagen detallada de todo el cielo del universo infantil creada a partir de nueve años de datos WMAP que revela fluctuaciones de temperatura de hasta 13,77 mil millones de años (mostradas como diferencias de color). Crédito: Equipo científico de NASA/WMAP

Observaciones recientes de galaxias han permitido una nueva prueba crucial de nuestro modelo basada en la velocidad predicha en diferentes ubicaciones. Esto se puede hacer midiendo algo llamado flujo másico, 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 continúa hasta mil millones de años luz.

Curiosamente, el flujo de galaxias a esta escala tiene una velocidad cuatro veces mayor que la predicha 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 ver qué predijo nuestro estudio para el flujo másico. Hemos descubierto que los rendimientos son bastante buenos. encontrar a las observaciones. Esto requiere que estemos bastante cerca del centro del vacío y que el vacío esté más vacío en su centro.

¿Caso cerrado?

Nuestros hallazgos llegan en un momento en que las soluciones populares a la tensión del Hubble están en problemas. Algunos creen que simplemente necesitamos mediciones más precisas. Otros piensan que se puede resolver asumiendo que la alta tasa de expansión que medimos localmente es en realidad el correcto. Pero esto requiere una ligera modificación de la historia de la expansión en el universo primitivo, de modo que el CMB todavía parezca correcto.

Desafortunadamente, una revisión influyente destaca siete problemas con este enfoque. Si el universo se expandiera un 10% más rápido durante la gran mayor parte de la historia cósmica, también sería aproximadamente un 10% más joven, lo que contradice la hipótesis. edad de las estrellas más antiguas.

La existencia de un profundo y extenso vacío local en el recuento del número de galaxias y los rápidos flujos de masa 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 billones de estrellas como nuestro Sol (unas 3.000 veces más masiva que nuestra galaxia, la Vía Láctea), aunque la mayor parte de la masa está oculta como oscuridad. asunto. La ubicación de la materia oscura está representada en la superposición azul. Debido a que la materia oscura no emite radiación, los astrónomos del Hubble miden con precisión cómo su gravedad deforma las imágenes de galaxias distantes de fondo, como un espejo de casa de la risa. Esto les permitió llegar a una estimación de la masa del cúmulo. El cúmulo fue apodado El Gordo en 2012, cuando las observaciones de rayos X y los estudios cinemáticos sugirieron por primera vez que era inusualmente masivo para la edad del universo temprano en el que existía. Los datos del Hubble confirmaron que el grupo está experimentando una fusión violenta entre dos grupos más pequeños. Créditos: NASA, ESA y J. Jee (Universidad de California, Davis)

Curiosamente, sabemos que se formó el cúmulo masivo de galaxias El Gordo (ver imagen arriba). demasiado pronto 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 demasiado lentamente en este modelo.

Dado que la gravedad es la fuerza dominante en escalas tan grandes, lo más probable es que necesitemos ampliar la teoría de la gravedad de Einstein, la Relatividad General, pero sólo en escalas más grande que un millón de años luz.

Sin embargo, no tenemos una buena manera de medir el comportamiento de la gravedad a escalas mucho mayores: no hay objetos gravitacionalmente tan grandes. 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 la misma forma de pensar que los creó. Incluso si los cambios requeridos no son drásticos, aún podríamos ver 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 de un artículo publicado originalmente en La conversación.