El crecimiento de la estructura cósmica fue misteriosamente reprimido

Una representación artística de la materia del universo primitivo que se fusiona lentamente en estructuras cósmicas más grandes del universo tardío. Crédito: Minh Nguyen, Universidad de Michigan y Thanh Nguyen (esposo)

Los científicos han descubierto que las estructuras cósmicas crecen más lentamente de lo que predijo la teoría de la relatividad general de Einstein, y que la energía oscura desempeña un papel inhibidor más dominante de lo que se pensaba anteriormente. Este descubrimiento puede remodelar nuestra comprensión de la materia oscura, la energía oscura y las teorías cosmológicas fundamentales.

A medida que el universo evoluciona, los científicos esperan que las grandes estructuras cósmicas crezcan a un cierto ritmo: las regiones densas, como los cúmulos de galaxias, se volverán más densas, mientras que el vacío del espacio se volverá más vacío.

Sin embargo, investigadores de la Universidad de Michigan han descubierto que la tasa de crecimiento de estas grandes estructuras es más lenta de lo que predice la teoría de la relatividad general de Einstein.

También demostraron que, si bien la energía oscura está acelerando la expansión global del universo, la supresión del crecimiento de la estructura cósmica que los investigadores ven en sus datos es más pronunciada de lo que predice la teoría. Sus resultados fueron publicados el 11 de septiembre en la revista. Cartas de revisión física.

La red cósmica

Las galaxias están interconectadas en 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 pequeño trozo de masa atrae y acumula cada vez más materia de su región local a través de la interacción gravitacional. A medida que la región se vuelve más densa, “finalmente colapsa bajo su propia gravedad”.

“Entonces, a medida que colapsan, la densidad de los grupos aumenta. Eso es lo que entendemos por crecimiento. Es como un telar donde los colapsos unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales parecen una hoja, un hilo y un nudo. La realidad es una combinación de los tres estados, y tienes galaxias viviendo a lo largo de los hilos, mientras que cúmulos de galaxias (cúmulos de miles de galaxias), los objetos más masivos de nuestro universo sujetos por la gravedad, se encuentran en los nodos.

Energía oscura y expansión cósmica

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

“Si la gravedad actúa como un amplificador que promueve las perturbaciones de la materia para que crezcan hasta formar una estructura a gran escala, entonces la energía oscura actúa como un amortiguador de estas perturbaciones y ralentiza el crecimiento de la estructura”, dijo Nguyen. “Al estudiar cómo se ensambla y crece la estructura cósmica, podemos intentar comprender la naturaleza de la gravedad y la energía oscura”.

Metodología y sondas

Nguyen, el profesor de física de la Universidad de Maryland, Dragan Huterer, y el estudiante graduado de la Universidad de Maryland, Yuyu 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 el fondo cósmico de microondas. El fondo cósmico de microondas, o CMB, está formado por fotones emitidos directamente después… la gran explosión. Estos fotones proporcionan una instantánea del universo primitivo. A medida que los fotones viajan hacia nuestros telescopios, su trayectoria puede distorsionarse o verse afectada gravitacionalmente por la extensa estructura 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 de lentes gravitacionales débiles de las formas de las galaxias. La luz de las galaxias de fondo se distorsiona por 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, dado que el CMB y las galaxias de fondo están a diferentes distancias de nosotros y de nuestros telescopios, las lentes gravitacionales débiles de las galaxias generalmente exploran las distribuciones de materia más tarde que a través de lentes gravitacionales débiles del CMB”, dijo Nguyen.

Para rastrear el crecimiento de la estructura hasta épocas posteriores, los investigadores también utilizaron los movimientos de las galaxias en el universo local. Cuando las galaxias caen en los pozos gravitacionales de las estructuras cósmicas subyacentes, sus movimientos siguen directamente el crecimiento de la estructura.

“La diferencia en las tasas de crecimiento que probablemente detectemos se vuelve más pronunciada a medida que nos acercamos al día de hoy”, dijo Nguyen. “Individualmente y colectivamente, estas diferentes investigaciones apuntan a la inhibición del crecimiento. O nos falta algún error sistemático en cada una de estas sondas, o nos falta alguna nueva física de última etapa en nuestro modelo estándar”.

Manejo del estrés S8

Los resultados 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, pero no están de acuerdo. El primer método, que utiliza fotones del fondo cósmico de microondas, indica un valor S8 más alto que el valor inferido a partir de lentes gravitacionales de galaxias débiles y mediciones de cúmulos de galaxias.

Ninguna de estas investigaciones mide el crecimiento de las estructuras en la actualidad. En cambio, examinaron la estructura en épocas anteriores y luego extrapolaron esas medidas al tiempo actual, asumiendo el modelo estándar. La estructura de las sondas de fondo cósmico de microondas en el Universo temprano, mientras que las lentes gravitacionales galácticas débiles y la estructura de las sondas de cúmulos en el Universo tardío.

Según Nguyen, los hallazgos de los investigadores sobre la supresión tardía del crecimiento pondrían a los dos valores de S8 en total concordancia.

“Nos sorprendió la alta importancia estadística de la supresión de la displasia”, dijo Hutterer. “Honestamente, siento que el universo está tratando de decirnos algo. Nuestro trabajo ahora, como cosmólogos, es interpretar estos resultados”.

“Nos gustaría fortalecer 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. Este efecto puede ser causado por nuevas propiedades de la energía oscura y la materia oscura, o alguna otra extensión”. Para la relatividad general y el modelo estándar no hemos pensado en ello todavía.

Referencia: “Evidencia de la supresión del crecimiento de la estructura en el modelo cosmológico conforme” por Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer y Yue Wen, 11 de septiembre de 2023, Cartas de revisión física.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001