Nuestra galaxia podría estar ubicada en las proximidades de un vacío cósmico, donde su centro es aún más desprovisto de materia.
Crédito: ESO. Edit: Ian O’Neill/MysteryPlanet.com.ar.
Uno de los mayores misterios en cosmología es la velocidad a la que el universo se expande. Esta tasa puede predecirse utilizando el modelo estándar de cosmología, también conocido como Materia Oscura Fría Lambda (ΛCDM). Este modelo se basa en observaciones detalladas de la luz remanente del Big Bang, el llamado fondo cósmico de microondas (CMB por sus siglas en inglés).
La expansión del universo hace que las galaxias se alejen unas de otras. Cuanto más lejos estén de nosotros, más rápido se mueven. La relación entre la velocidad de una galaxia y su distancia está regida por la «constante de Hubble», que es aproximadamente de 70 km por segundo por megapársec (una unidad de longitud en astronomía). Esto significa que una galaxia gana alrededor de 80.000 km por hora por cada millón de años luz que se aleja de nosotros.
Sin embargo, desafortunadamente para el modelo estándar, este valor ha sido recientemente cuestionado, lo que ha llevado a lo que los científicos llaman «tensión de Hubble». Cuando medimos la tasa de expansión utilizando galaxias cercanas y supernovas, es un 10 % mayor que cuando lo predecimos basándonos en el CMB.
El modelo ΛCDM de cosmología. Crédito: NASA/ LAMBDA Archive / WMAP Science Team.
«En nuestro nuevo artículo, presentamos una posible explicación: que vivimos en un vacío gigante en el espacio —una zona con densidad por debajo del promedio—. Mostramos que esto podría inflar las mediciones locales a través de flujos de materia desde el vacío. Estos flujos surgirían cuando las regiones más densas que rodean un vacío lo desgarran: ejercerían una mayor atracción gravitatoria que la materia de menor densidad dentro del vacío», explicó Indranil Banik, investigador postdoctoral en astrofísica de la Universidad de St. Andrews y coautor del estudio publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
«En este escenario, necesitaríamos estar cerca del centro de un vacío con un radio de aproximadamente mil millones de años luz y con una densidad alrededor de un 20 % por debajo del promedio para el universo 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», añadió.
El CMB ofrece una instantánea de la estructura en el universo infantil, lo que sugiere que la materia hoy debería estar distribuida de manera bastante uniforme. Sin embargo, contar directamente el número de galaxias en diferentes regiones parece abonar a favor de la hipótesis del vacío local propuesta por Banik y sus colegas.
Ajustando las leyes de la gravedad
Los investigadores se dispusieron a probar esta idea, basada principalmente en observaciones cosmológicas diferentes que apuntan a que podríamos vivir en un gran vacío que creció a partir de una pequeña fluctuación de densidad en tiempos tempranos.
Para hacer esto, el modelo que utilizaron prescindió de la ΛCDM. En su lugar, se valieron de una teoría alternativa llamada Dinámica Newtoniana Modificada (MOND por sus siglas en inglés).
MOND fue propuesta originalmente para explicar anomalías en las velocidades de rotación de las galaxias, lo que llevó a la sugerencia de una sustancia invisible llamada «materia oscura». Esta sugiere que las anomalías pueden explicarse por la ley de gravedad de Newton descomponiéndose cuando la atracción gravitatoria es muy débil —como es el caso en las regiones externas de las galaxias—.
Esta imagen de CMB muestra fluctuaciones de temperatura que corresponden a regiones de densidad ligeramente diferente. Crédito: ESA/Planck.
La historia general de expansión cósmica en MOND sería similar al modelo estándar, pero la estructura (como los cúmulos de galaxias) crecería más rápido.
«Nuestro modelo captura cómo podría ser el universo local en un universo MOND. Y encontramos que permitiría que las mediciones locales de la tasa de expansión hoy fluctúen dependiendo de nuestra ubicación», dijo Banik.
«Varios estudios sobre galaxias han permitido obtener una prueba crucial de nuestro modelo basado en la velocidad que predice en diferentes ubicaciones. Esto se puede hacer midiendo algo llamado flujo a granel, que es la velocidad promedio de la materia en una esfera determinada, densa o no. Esto varía con el radio de la esfera, y observaciones recientes muestran que continúa hasta mil millones de años luz».
Curiosamente, el flujo a granel de galaxias en esta escala tiene cuatro veces la velocidad esperada en el modelo estándar. También parece aumentar con el tamaño de la región considerada, lo contrario a lo que predice el modelo estándar. La probabilidad de que esto sea consistente con el modelo estándar es inferior a una entre un millón.
«Esto nos llevó a ver qué predicciones ofrecía nuestro estudio para el flujo a granel. Y descubrimos que coincide bastante bien con las observaciones. Esto requiere que estemos bastante cerca del centro del vacío y que el vacío esté más vacío en su centro», señaló Banik.
¿Caso cerrado?
Los resultados llegan en un momento en el que las soluciones populares a la tensión de Hubble están en apuros. 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 la correcta. Pero eso requiere un pequeño ajuste en la historia de expansión en el universo temprano para que el CMB siga siendo coherente.
Desafortunadamente, una revisión influyente destaca siete problemas con este enfoque. Si el universo se expandió un 10 % más rápido durante la gran mayoría 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 extenso en el recuento de galaxias y los flujos a granel observados rápidamente sugiere 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 masivo cúmulo de galaxias El Gordo se formó demasiado temprano en la historia cósmica y tiene una masa y velocidad de colisión demasiado altas para ser compatibles con el modelo estándar. Esta es otra evidencia de que la estructura se forma demasiado lentamente en este modelo», dijo el coautor del estudio.
«Dado que la gravedad es la fuerza dominante en estas escalas tan grandes, lo más probable es que necesitemos extender la teoría de la gravedad de Einstein, la Relatividad General —pero solo en escalas mayores a un millón de años luz—», continuó.
«Si bien no tenemos una manera sólida de medir cómo se comporta la gravedad en escalas mucho más grandes —no hay objetos gravitacionalmente ligados tan enormes—, podemos suponer que la Relatividad General sigue siendo válida y coteja las observaciones, pero precisamente este enfoque es el que conduce a las tensiones muy severas que enfrenta actualmente nuestro mejor modelo de cosmología», concluyó.
Se dice que Einstein afirmó que no podemos resolver problemas con el mismo pensamiento que los creó en primer lugar. Incluso si los cambios requeridos no son drásticos, bien podríamos estar presenciando las primeras pruebas fiables en más de un siglo de que necesitamos cambiar nuestra teoría de la gravedad.
Fuente: The Conversation. Edición: MP.
Estudio sugiere que vivimos en un vacío gigante y que eso explica la expansión del universo