Los cosmólogos proponen un vacío gigante en el espacio como solución a la «tensión de Hubble», cuestionan los modelos convencionales y sugieren una revisión de la teoría de la gravedad de Einstein.

Uno de los mayores misterios de la cosmología es la velocidad a la que se expande el universo. Esto se puede predecir utilizando el modelo estándar de cosmología, también conocido como Materia oscura fría Lambda (ΛCDM). Este modelo se basa en observaciones detalladas de la luz dejada por el Big Bang – lo que llamamos el fondo cósmico de microondas (CMB).

La expansión del universo aleja a las galaxias 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 aproximadamente 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 distante 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 (estrellas en explosión) cercanas, es un 10% más alta que cuando la predecimos basándonos en el CMB.

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

En nuestro nuevo papel, 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 debido a las salidas de material del vacío. Los flujos se producirían cuando 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 con un radio de aproximadamente mil millones de años luz y una densidad aproximadamente un 20% menor que el promedio del universo en su conjunto; por lo tanto, no estaríamos completamente vacíos.

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

Cambiar las leyes de la gravedad.

Queríamos probar esta idea más a fondo comparando muchas observaciones cosmológicas diferentes bajo el supuesto de que vivimos en un gran vacío que surge de una pequeña fluctuación de densidad al principio.

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

MOND se propuso inicialmente 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 sugiere, en cambio, que las anomalías pueden explicarse por la ruptura de la ley de gravedad de Newton 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 vería el universo local en un universo MOND. Y descubrimos que esto permitiría que las medidas locales de la tasa de expansión actual fluctuaran dependiendo de nuestra ubicación.

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

Las observaciones recientes de galaxias han proporcionado una nueva prueba crucial para nuestro modelo basada en la velocidad que predice en diferentes ubicaciones. Esto se puede hacer midiendo lo que se llama caudal global, que es la velocidad promedio de la materia en una esfera determinada, densa o no. Esto varía con el radio de la esfera, con avistamientos recientes demostración él sigue hasta mil millones de años luz de distancia.

Curiosamente, el flujo masivo 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 se ajuste al modelo estándar es menos de una entre un millón.

Esto nos llevó a ver qué predijo nuestro estudio para el flujo masivo. Descubrimos que esto da un resultado bastante bueno. fósforo 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 resultados llegan en un momento en que las soluciones populares a la tensión del Hubble están en problemas. Algunas personas piensan que simplemente necesitamos mediciones más precisas. Otros piensan que este problema 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 para que el CMB siga pareciendo correcto.

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

La existencia de un vacío local profundo y extenso en el número de galaxias y los rápidos flujos masivos observados sugieren fuertemente que la estructura está creciendo 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. La masa total del cúmulo, tal como se refina en las nuevas mediciones del Hubble, se estima en 3 millones de billones de estrellas como nuestro Sol (unas 3.000 veces más masiva que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea), bueno, la mayor parte de la masa está oculta. como materia oscura. La ubicación de la materia oscura se muestra 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 fue apodado El Gordo («el grande» en español) 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 primitivo. 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 se formó el enorme cúmulo 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. Esto demuestra una vez más que la estructura se forma demasiado 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 forma eficaz de medir el comportamiento de la gravedad a escalas mucho mayores: no existen objetos gravitacionalmente enormes. 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 serias 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, es posible que veamos la primera evidencia confiable en más de un siglo de la necesidad de modificar 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.