La energía oscura primitiva podría resolver los dos mayores enigmas de la cosmología
En los primeros mil millones de años de vida del universo, esta breve y misteriosa fuerza podría haber producido galaxias más brillantes de lo que predice la moderna teoría cosmológica.
Por Jennifer Chu / MIT News
La energía oscura temprana podría haber desencadenado la formación de numerosas galaxias brillantes cuando el cosmos era muy joven, según un nuevo estudio. La misteriosa fuerza desconocida podría haber causado que las primeras semillas de galaxias (representadas a la izquierda) brotaran muchas más galaxias brillantes (a la derecha) de lo que predice la teoría. Crédito: Josh Borrow / Thesan Team
Un nuevo estudio realizado por físicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, propone que una misteriosa fuerza conocida como energía oscura primitiva podría resolver dos de los mayores enigmas de la cosmología y colmar algunas lagunas importantes en nuestra comprensión de cómo evolucionó el universo primitivo.
Uno de los enigmas de la actual cosmología es la llamada tensión de Hubble, que se refiere a un desajuste en las mediciones de la velocidad de expansión del universo. El otro misterio tiene que ver con las observaciones de numerosas galaxias tempranas y brillantes que existieron en una época en la que el universo primitivo debería haber estado mucho menos poblado.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha descubierto que ambas incógnitas podrían resolverse si el universo primitivo tuviera un ingrediente extra y fugaz: la energía oscura primitiva. Recordemos que la energía oscura es una forma desconocida de energía que los físicos sospechan que impulsa la expansión del universo actual. La energía oscura primitiva es un fenómeno hipotético similar que podría haber tenido una breve aparición, e influir en la expansión del cosmos en sus etapas iniciales, para luego esfumarse por por completo.
Un desconcertante número de galaxias brillantes
Algunos físicos han sospechado que la energía oscura temprana podría ser la clave para resolver la tensión de Hubble, ya que la misteriosa fuerza podría acelerar la expansión del universo joven en una cantidad que resolvería el desajuste de las mediciones.
Los investigadores del MIT han descubierto ahora que la energía oscura temprana también podría explicar el desconcertante número de galaxias brillantes que los astrónomos han observado en el universo temprano. En su nuevo estudio, publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, el equipo modelizó la formación de galaxias en los primeros cientos de millones de años del universo.
Cuando incorporaron un componente de energía oscura al modelo solo en esa primera franja de tiempo, descubrieron que el número de galaxias que surgieron del entorno primordial se ajustaba a las observaciones de los astrónomos.
«Tenemos estos dos rompecabezas abiertos —afirma Rohan Naidu, coautor del estudio y postdoctorando en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. Y añade—: Descubrimos que, de hecho, la energía oscura primitiva es una solución muy elegante y dispersa a dos de los problemas más acuciantes de la cosmología».
Evolución espacio-temporal del universo. Crédito: NASA, Ryan Kaldari / Luis Fernández García
Los coautores del estudio incluyen al autor principal y postdoctorado de Kavli, Xuejian Jacob Shen, y al profesor de Física del MIT Mark Vogelsberger, junto con Michael Boylan-Kolchin, de la Universidad de Texas en Austin, y Sandro Tacchella, de la Universidad de Cambridge.
Luces de la gran ciudad
Según los modelos cosmológicos y de formación de galaxias estándar, el universo debería haberse tomado su tiempo para hacer girar las primeras galaxias. Habrían tenido que pasar miles de millones de años para que el gas primordial se fusionara en galaxias tan grandes y brillantes como la Vía Láctea.
Pero en 2023, el telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA hizo una observación sorprendente. Con la capacidad de mirar más atrás en el tiempo que cualquier observatorio hasta la fecha, el telescopio descubrió un sorprendente número de galaxias brillantes tan grandes como la moderna Vía Láctea en los primeros 500 millones de años, cuando el universo tenía solo el 3% de su edad actual.
«Las galaxias brillantes que vio el James Webb serían como ver un agrupamiento de luces alrededor de las grandes ciudades, mientras que la teoría predice algo así como la luz alrededor de entornos más rurales como el Parque Nacional de Yellowstone —afirma Shen. Y añade—: Y no esperamos que la luz se agrupe tan pronto».
La existencia de la energía oscura fue inferida a partir de medidas muy precisas del ritmo de expansión del cosmos, con técnicas similares a las usadas para generar esta imagen del WMAP para examinar la anisotropía de la temperatura de la La radiación de fondo de microondas. Crédito: NASA/Goddard/WMAP Science Team
Para los físicos, las observaciones implican que, o bien hay algo fundamentalmente erróneo en la física subyacente a los modelos, o bien falta un ingrediente en el universo primitivo que los científicos no han tenido en cuenta. El equipo del MIT estudió la posibilidad de esto último y si el ingrediente que faltaba podría ser la energía oscura primitiva.
Los físicos han propuesto que la energía oscura primitiva es una especie de fuerza antigravitatoria que solo se activa en épocas muy tempranas. Esta fuerza contrarrestaría la atracción gravitatoria y aceleraría la expansión temprana del universo, lo que resolvería el desajuste en las mediciones. La energía oscura temprana, por tanto, se considera la solución más probable a la tensión de Hubble.
Esqueleto de galaxia
El equipo del MIT estudió si la energía oscura primitiva podría ser también la clave para explicar la inesperada población de galaxias grandes y brillantes detectada por el James Webb. En su nuevo estudio, los físicos analizaron cómo la energía oscura temprana podría afectar a la estructura primitiva del universo que dio lugar a las primeras galaxias. Se centraron en la formación de halos de materia oscura, es decir, regiones del espacio donde la gravedad es más intensa y donde la materia comienza a acumularse.
«Creemos que los halos de materia oscura son el esqueleto invisible del universo —explica Shen. Y continúa—: Primero se forman las estructuras de materia oscura y después las galaxias. Así que esperamos que el número de galaxias brillantes sea proporcional al número de grandes halos de materia oscura».
El equipo desarrolló un marco empírico para la formación temprana de galaxias, que predice el número, luminosidad y tamaño de las galaxias que deberían formarse en el universo temprano, dadas algunas medidas de parámetros cosmológicos. Estos son los ingredientes básicos —o términos matemáticos— que describen la evolución del universo.
Detectados seis importantes parámetros cosmológicos
Los cosmólogos han determinado que hay al menos seis parámetros cosmológicos principales, uno de los cuales es la constante de Hubble, un término que describe la tasa de expansión del universo. Otros parámetros describen fluctuaciones de densidad en la sopa primordial, inmediatamente después del big bang, a partir de la cual finalmente se forman halos de materia oscura.
El equipo del MIT razonó que si la energía oscura temprana afecta a la tasa de expansión temprana del universo, de un modo que resuelve la tensión de Hubble, entonces podría afectar al equilibrio de los demás parámetros cosmológicos. Y lo haría de un modo que podría aumentar el número de galaxias brillantes que aparecen en épocas tempranas.
Para probar su teoría, incorporaron un modelo de energía oscura temprana —el mismo que resulta resolver la tensión de Hubble— a un marco empírico de formación de galaxias para ver cómo evolucionan las primeras estructuras de materia oscura y dan lugar a las primeras galaxias.
Halos más grandes y galaxias más brillantes
«Lo que mostramos es que la estructura del esqueleto del universo primitivo se altera de una manera sutil en la que la amplitud de las fluctuaciones aumenta, y se obtienen halos más grandes y galaxias más brillantes que están en su lugar en épocas más tempranas, más que en nuestros modelos más convencionales —explica Naidu. Y añade—: Significa que las cosas eran más abundantes y estaban más agrupadas en el universo primitivo».
«A priori, no habría esperado que la abundancia de galaxias brillantes tempranas del James Webb tuviera nada que ver con la energía oscura temprana, pero su observación de que la energía oscura temprana empuja los parámetros cosmológicos en una dirección que aumenta la abundancia de galaxias tempranas es interesante», dice Marc Kamionkowski, profesor de física teórica en la Universidad Johns Hopkins, que no participó en el estudio.
«Creo que habrá que trabajar más para establecer un vínculo entre las galaxias primitivas y la la energía oscura temprana , pero independientemente de cómo resulten las cosas, es algo inteligente -y esperemos que finalmente fructífero- para probar», comenta Kamionkowski.
«Hemos demostrado el potencial de la energía oscura primitiva como solución unificada a los dos grandes problemas a los que se enfrenta la cosmología. Esto podría ser una prueba de su existencia si los hallazgos observacionales del James Webb se consolidan aún más —explica Vogelsberger. Y concluye—: En el futuro, podremos incorporarlo a grandes simulaciones cosmológicas para ver qué predicciones detalladas obtenemos».▪️
Artículo publicado con la autorización del MIT -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Xuejian Shen, Mark Vogelsberger, Michael Boylan-Kolchin, Sandro Tacchella, Rohan P Naidu. Early galaxies and early dark energy: a unified solution to the hubble tension and puzzles of massive bright galaxies revealed by JWST. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stae1932
