¿Un vacío gigante divide el universo?

Los cosmólogos proponen un vacío gigante del espacio como solución a la “tensión de Hubble”, desafiando los modelos tradicionales y proponiendo una revisión de la teoría de la gravedad de Einstein.

Uno de los mayores misterios de la cosmología es la tasa de expansión del 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 residual. la gran explosión – 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 galáctica y la distancia se rige por la “constante de Hubble”, que es de aproximadamente 43 millas (70 km) por segundo por megaparsec (unidad de longitud en astronomía). Esto significa que la galaxia Ganas alrededor de 50.000 millas por hora Por cada millón de años luz de distancia de nosotros.

Desafortunadamente para el modelo estándar, este valor ha sido cuestionado recientemente, lo que ha llevado a lo que los científicos llaman el “Tensión del Hubble”. Cuando medimos la tasa de expansión utilizando galaxias y supernovas (estrellas en explosión) cercanas, es un 10% mayor que cuando la predijimos basándonos en el CMB.

Representación artística del vacío gigante y las cuerdas y paredes que lo rodean. Crédito: Pablo Carlos Budasi

En nuestro Nuevo papelOfrecemos una posible explicación: que vivimos en un vacío gigante del espacio (una región de densidad inferior a la media). Hemos demostrado que esto puede llevar a que las mediciones locales sean amplificadas por los flujos de materia del vacío. Las salidas pueden surgir cuando las regiones más densas que rodean un vacío lo separan, ejerciendo una fuerza de atracción 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 universo promedio en su conjunto, es decir, no completamente vacío.

Un vacío tan grande y profundo es inesperado en el modelo estándar y, por lo tanto, controvertido. El CMB ofrece una instantánea de la estructura del universo naciente, sugiriendo que la materia actual debe estar distribuida de manera bastante uniforme. Sin embargo, el número de galaxias en diferentes regiones se calcula directamente. ya esta sugerido Estamos en un vacío local.

Modificando las leyes de la gravedad.

Queríamos probar esta idea más a fondo comparando varias observaciones cosmológicas diferentes asumiendo que vivimos en un gran vacío que surgió de pequeñas fluctuaciones de densidad en los primeros tiempos.

Para hacer esto, tenemos modelo No incluía ΛCDM sino una teoría alternativa llamada dinámica newtoniana modificada (lunes).

MOND se propuso originalmente para explicar las anomalías en las velocidades de rotación de las galaxias, lo que llevó a sugerir la existencia de una sustancia invisible llamada “materia oscura”. MOND sugiere en cambio que estas anomalías pueden explicarse por la ley de gravitación de Newton, que falla cuando la fuerza de gravedad es demasiado débil, como en las regiones exteriores de las galaxias.

La historia general de la expansión cósmica en MOND será similar a la del Modelo Estándar, pero la estructura (como los cúmulos de galaxias) crecerá más rápido en MOND. Nuestro modelo captura cómo podría verse el universo local en el universo MOND. Descubrimos que esto permitiría que las mediciones 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 que revelan fluctuaciones de temperatura de hasta 13,77 mil millones de años (mostradas en variaciones de color). Crédito: Equipo científico de NASA/WMAP

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 lo que se llama flujo masivo, que es la velocidad promedio del material en una bola determinada, ya sea densa o no. Esto varía con el radio de la bola, con Notas finales una oferta Continúa A mil millones de años luz.

Curiosamente, el flujo masivo de galaxias a esta escala cuadruplicó la velocidad esperada en el Modelo Estándar. También parecen 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 lo que predijo nuestro estudio del flujo masivo. Hemos descubierto que produce muy buena fósforo A las notas. 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 comunes al tensor de Hubble están teniendo problemas. Algunos piensan que simplemente necesitamos mediciones más precisas. Otros creen que se puede resolver asumiendo también la alta tasa de expansión que medimos localmente. realmente correcto. Pero esto requiere un ligero ajuste en la historia de expansión del universo primitivo 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 la teoría predominante. Siglos Una de las estrellas más antiguas.

La presencia de un vacío local profundo y extendido en las poblaciones de galaxias y los grandes y rápidos flujos de salida observados sugieren fuertemente que la estructura está creciendo más rápido de lo esperado en el ΛCDM en escalas entre decenas y cientos de millones de años luz.

Esta es una imagen del Telescopio Espacial Hubble del mayor cúmulo de galaxias jamás visto cuando el universo tenía la mitad de su edad actual de 13.800 millones de años. El cúmulo contiene varios cientos de galaxias que se agrupan bajo la influencia de la gravedad 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 más grande que nuestra Vía Láctea), aunque la mayor parte de la masa está oculta. Cataplasma oscura. La materia oscura se encuentra en la capa azul. Debido a que la materia oscura no emite radiación, los astrónomos del Hubble midieron cuidadosamente cómo su gravedad distorsiona las imágenes de galaxias distantes del fondo como un espejo de feria. Esto les permitió llegar a una estimación completa de la masa. El cúmulo recibió el nombre de El Gordo en 2012, cuando las observaciones de rayos X y los estudios cinemáticos indicaron por primera vez que era inusualmente masivo para la época del universo temprano en que existía. Los datos del Hubble confirmaron que el grupo está experimentando una fusión violenta entre dos grupos más pequeños. Fuente de la imagen: NASA, ESA y J. Jee (Universidad de California, Davis)

Curiosamente, sabemos que se ha formado el supercúmulo El Gordo (ver imagen arriba). Demasiado temprano En la historia cósmica, tiene una masa y una velocidad de colisión tan altas que no se ajusta al 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 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 cómo se comporta la gravedad a escalas mucho mayores, ya que 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 extremas 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 radicales, podríamos estar viendo la primera evidencia confiable en más de un siglo de que necesitamos cambiar nuestra teoría de la gravedad.

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

Adaptado de un artículo publicado originalmente en Conversación.