enigma de la expansion del universo vivimos en un vacio giganteUno 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 Lambda-materia oscura fría (ΛCDM).

Este modelo se basa en observaciones detalladas de la luz sobrante del 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 de una galaxia y la distancia 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 gana alrededor de 50.000 millas por hora por cada millón de años luz que se encuentra alejada de nosotros.

Pero, lamentablemente para el modelo estándar, este valor ha sido cuestionado últimamente, lo que ha dado lugar a lo que los científicos llaman la “tensión de 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.

En nuestro nuevo artículo, presentamos una posible explicación: que vivimos en un vacío gigante 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 surgirían 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, necesitaríamos 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 grande y profundo es inesperado en el modelo estándar y, por tanto, controvertido. El CMB ofrece una instantánea de la estructura del universo infantil, sugiriendo que la materia actual debería estar distribuida de manera bastante uniforme. Sin embargo, contar directamente el número de galaxias en diferentes regiones sugiere que estamos en un vacío local.

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Modificando 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 (MOND).

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”. MOND, en cambio, sugiere que las anomalías pueden explicarse porque la ley de gravedad de Newton 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 rápido en MOND. Nuestro modelo captura cómo se vería el universo local en un universo MOND. Y descubrimos que permitiría que las mediciones locales de la tasa de expansión actual fluctuaran dependiendo de nuestra ubicación.

Las recientes observaciones 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 masivo, que es la velocidad promedio de la materia en una esfera determinada, densa o no. Esto varía con el radio de la esfera; observaciones recientes muestran que continúa hasta mil millones de años luz.

Curiosamente, el flujo masivo de galaxias a esta escala ha cuadriplicado la velocidad esperada en el modelo estándar. También parece aumentar con el tamaño de la región considerada, al contrario de lo que predice el modelo estándar. La probabilidad de que esto sea coherente con el modelo estándar es inferior a una entre un millón.

Esto nos llevó a ver qué predijo nuestro estudio para el flujo masivo. Descubrimos que coincide bastante bien con las observaciones. Eso requiere que estemos bastante cerca del centro del vacío, y que el vacío esté más vacío en su centro.

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¿Caso cerrado?

Nuestros resultados 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 la correcta.

Pero eso requiere un ligero ajuste en la historia de la expansión en el universo temprano para que el CMB siga pareciendo 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 las edades de las estrellas más antiguas.

La existencia de un vacío local profundo y extendido en el número de galaxias y los rápidos flujos masivos 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.

Curiosamente, sabemos que el enorme cúmulo de galaxias El Gordo se formó demasiado 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 demasiado lentamente en este modelo.

Dado que la gravedad es la fuerza dominante a escalas tan grandes, lo más probable es que necesitemos ampliar la teoría de la gravedad de Einstein, la Relatividad General, pero sólo a escalas superiores a 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 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 el mismo pensamiento que condujo a los problemas en primer lugar. Incluso si los cambios requeridos no son drásticos, bien podríamos estar siendo testigos de la primera evidencia confiable en más de un siglo de que necesitamos cambiar nuestra teoría de la gravedad.

Indranil Banik, investigador postdoctoral en astrofísica, Universidad de St Andrews

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Por jaime