Crecimiento de estructuras cósmicas desafía teoría de Einstein

Investigadores de la Universidad de Michigan han descubierto que el ritmo al que crecen las grandes estructuras cósmicas es más lento de lo predicho por la Teoría de la Relatividad General de Einstein.

También demostraron que, a medida que la energía oscura acelera la expansión global del universo, la supresión del crecimiento de las estructuras cósmicas –regiones densas, como los cúmulos de galaxias– que los investigadores ven en sus datos es incluso más prominente de lo que predice la teoría. Sus resultados se publican en Physical Review Letters.

Las galaxias están entrelazadas por todo nuestro universo como una telaraña cósmica gigante. Su distribución no es aleatoria. Más bien, tienden a agruparse. De hecho, toda la red cósmica comenzó como pequeños grupos de materia en el universo primitivo, que gradualmente crecieron hasta convertirse en galaxias individuales y, finalmente, en cúmulos y filamentos de galaxias.

«A lo largo del tiempo cósmico, un grupo de masa inicialmente pequeño atrae y acumula más y más materia de su región local a través de la interacción gravitacional. A medida que la región se vuelve cada vez más densa, eventualmente colapsa bajo su propia gravedad», dijo Minh Nguyen, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Michigan.

«Así que a medida que colapsan, los cúmulos se vuelven más densos. Eso es lo que queremos decir con crecimiento. Es como un telar de tela donde los colapsos unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales parecen una hoja, un filamento y un nodo. La realidad es una Si se mezclan los tres casos, se tienen galaxias viviendo a lo largo de los filamentos, mientras que cúmulos de galaxias (grupos de miles de galaxias, los objetos más masivos de nuestro universo limitados por la gravedad) se ubican en los nodos».

El universo no está hecho sólo de materia. También es probable que contenga un componente misterioso llamado energía oscura. La energía oscura acelera la expansión del universo a escala global. A medida que la energía oscura acelera la expansión del universo, tiene el efecto contrario en las estructuras grandes.

«Si la gravedad actúa como un amplificador que mejora las perturbaciones de la materia para que crezcan hasta convertirse en estructuras a gran escala, entonces la energía oscura actúa como un atenuador que amortigua estas perturbaciones y ralentiza el crecimiento de la estructura», dijo Nguyen. «Al examinar cómo la estructura cósmica se ha ido agrupando y creciendo, podemos intentar comprender la naturaleza de la gravedad y la energía oscura».

Nguyen, el profesor de física de la UM Dragan Huterer y el estudiante graduado de la UM Yuewei Wen examinaron el crecimiento temporal de estructuras a gran escala a lo largo del tiempo cósmico utilizando varias sondas cosmológicas.

Primero, el equipo utilizó lo que se llama fondo cósmico de microondas. El fondo cósmico de microondas, o CMB, está compuesto por fotones emitidos justo después del Big Bang. Estos fotones proporcionan una instantánea del universo primitivo. A medida que los fotones viajan hacia nuestros telescopios, su trayectoria puede distorsionarse o verse distorsionada gravitacionalmente por la estructura a gran escala a lo largo del camino. Al examinarlos, los investigadores pueden inferir cómo se distribuyen la estructura y la materia entre nosotros y el fondo cósmico de microondas.

Nguyen y sus colegas aprovecharon un fenómeno similar con lentes gravitacionales débiles de las formas de las galaxias. La luz de las galaxias de fondo se distorsiona a través de interacciones gravitacionales con la materia y las galaxias de primer plano. Luego, los cosmólogos decodifican estas distorsiones para determinar cómo se distribuye la materia interpuesta.

«De manera crucial, como el CMB y las galaxias de fondo están ubicadas a diferentes distancias de nosotros y de nuestros telescopios, los lentes gravitacionales débiles de las galaxias generalmente exploran las distribuciones de materia en un momento posterior en comparación con lo que sondeados por los lentes gravitacionales débiles del CMB», dijo Nguyen.

Para rastrear el crecimiento de la estructura hasta una época aún posterior, los investigadores utilizaron además los movimientos de las galaxias en el universo local. A medida que las galaxias caen en los pozos de gravedad de las estructuras cósmicas subyacentes, sus movimientos siguen directamente el crecimiento de la estructura.

«La diferencia en estas tasas de crecimiento que potencialmente hemos descubierto se vuelve más prominente a medida que nos acercamos al día de hoy», dijo Nguyen. «Estas diferentes sondas indican, individual y colectivamente, una supresión del crecimiento. O nos faltan algunos errores sistemáticos en cada una de estas sondas, o nos falta algo de física nueva y tardía en nuestro modelo estándar».

Los hallazgos abordan potencialmente la llamada tensión S8 en cosmología. S8 es un parámetro que describe el crecimiento de la estructura. La tensión surge cuando los científicos utilizan dos métodos diferentes para determinar el valor de S8 y no se ponen de acuerdo. El primer método, que utiliza fotones del fondo cósmico de microondas, indica un valor de S8 más alto que el valor inferido de las mediciones de lentes gravitacionales débiles de galaxias y de agrupamiento de galaxias.

Ninguna de estas sondas mide el crecimiento de la estructura en la actualidad. En lugar de ello, investigan la estructura en épocas anteriores y luego extrapolan esas mediciones al tiempo presente, asumiendo el modelo estándar.

Las sondas de fondo cósmico de microondas se estructuran en el universo temprano, mientras que las lentes gravitacionales débiles de las galaxias y la estructura de las sondas de agrupamiento se encuentran en el universo tardío.

Según Nguyen, los hallazgos de los investigadores sobre una supresión tardía del crecimiento harían que los dos valores S8 coincidieran perfectamente.

«Nos sorprendió la gran importancia estadística de la supresión anómala del crecimiento», afirmó Huterer. «Honestamente, siento que el universo está tratando de decirnos algo. Ahora es trabajo de nosotros, los cosmólogos, interpretar estos hallazgos.

«Nos gustaría reforzar aún más la evidencia estadística de la supresión del crecimiento. También nos gustaría entender la respuesta a la pregunta más difícil de por qué las estructuras crecen más lentamente de lo esperado en el modelo estándar con materia y energía oscuras. La causa de esto El efecto puede deberse a propiedades novedosas de la energía y la materia oscuras, o a alguna otra extensión de la Relatividad General y el modelo estándar en el que aún no hemos pensado». (Europa Press)