El universo bajo sospecha: detectan anomalías que podrían cambiar nuestra comprensión del cosmos
Científicos descubren misteriosas discrepancias en el crecimiento de las estructuras cósmicas que desafían el modelo estándar del universo. Estos hallazgos, basados en los datos más precisos de galaxias y lentes gravitacionales, podrían ser la clave para una nueva física y redefinir nuestra visión del cosmos.
Por Enrique Coperías
Una sección del mapa tridimensional construido por el Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Crédito: Jeremy Tinker and the SDSS-III collaboration
Una nueva investigación publicada en la revista Physical Review Letters ha analizado el conjunto más completo de datos sobre el agrupamiento de galaxias para probar el modelo cosmológico estándar. Este modelo, conocido como ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), es el marco teórico más ampliamente aceptado para describir la evolución y composición del universo.
El ΛCDM asume que el cosmos es homogéneo e isotrópico a gran escala, y se basa en las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. Su nombre refleja sus principales componentes: la constante cosmológica Λ, que representa la energía oscura, responsable de la expansión acelerada del cosmos; y la materia oscura fría (CDM), que es una forma de materia no luminosa y no interactiva que contribuye a la formación de estructuras como las galaxias.
Según el modelo cosmológico estándar, el universo está compuesto aproximadamente por un 68% de energía oscura, un 27% de materia oscura, y solo un 5% de materia ordinaria, junto con una pequeña contribución de radiación. Este modelo explica con éxito observaciones como el fondo cósmico de microondas —la radiación remanente del big bang— , la distribución de galaxias y la expansión cósmica medida por el corrimiento al rojo. Este es el desplazamiento de la luz de un objeto hacia longitudes de onda más largas (rojo) debido a su movimiento de alejamiento, causado por la expansión del universo.
Una nueva física más allá de los paradigmas actuales
Los resultados que aparecen en Physical Review Letters revelan discrepancias en la formación de estructuras cósmicas en el universo, lo que sugiere la posibilidad de una nueva física más allá de los paradigmas actuales.
El modelo ΛCDM es la piedra angular de la cosmología moderna y describe la evolución, expansión y estructura del universo que conocemos. Combina la materia oscura fría (CDM), la materia y la radiación normales, y la constante cosmológica (Λ), que representa la energía oscura responsable de la aceleración en la expansión del universo.
Este modelo ha sido exitoso en explicar fenómenos como la estructura a gran escala del universo y las citadas radiación de fondo cósmico de microondas y la expansión acelerada del cosmos.
Cronología de la expansión del universo, desde el big bang, según el modelo cosmológico estándar. Cortesía: NASA, Ryan Kaldari, adaptation to Spanish: Luis Fernández García, wiping WMAP: Basquetteur
El problema de la inflación cósmica
A pesar de sus logros, el modelo cosmológico estándar no puede dar cuenta de fenómenos fundamentales como la inflación cósmica —una breve y rápida expansión exponencial del universo que ocurrió justo después del big bang— y la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura.
Observaciones recientes, como los datos aportados por el instrumento DESI (Dark Energy Survey Instrument) —un telescopio avanzado diseñado para mapear la estructura del universo en 3D levantado en Kitt Peak (Arizona)—, han sugerido posibles anomalías que desafían este modelo.
Entre las tensiones más significativas se encuentran: la tensión de Hubble, que refleja discrepancias entre las mediciones directas e indirectas de la tasa de expansión del universo; la tensión de σ₈, que se refiere al desacuerdo entre las mediciones del crecimiento de las estructuras cósmicas, un indicador clave del colapso gravitacional de la materia; y la evidencia potencial de una energía oscura dinámica sugerida por algunas observaciones recientes como las de DESI.
Anomalías posiblemente conectadas
El equipo de investigación, liderado por Shi-Fan Chen, del Institute for Advanced Study; Mikhail Ivanov, del MIT, Oliver Philcox, de la Universidad de Columbia; y Lukas Wenzl de la Universidad de Cornell, buscó determinar si estas anomalías están conectadas y podrían apuntar a un nuevo modelo físico.
«Poder predecir algo sobre el universo es increíble, pero lo que es especialmente interesante es que tenemos muchos observables de distintos sondeos cuyas mediciones podemos modelar usando una teoría efectiva consistente», explica Chen sobre la motivación detrás de su trabajo.
El equipo adoptó un enfoque innovador al combinar datos de múltiples fuentes para crear un conjunto integral. Este incluye el conjunto de datos DR12 del Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), un proyecto que estudia la distribución de galaxias para analizar las oscilaciones acústicas de los bariones (huellas de ondas de sonido del universo temprano) y que cubre galaxias en los hemisferios norte y sur.
Incluye además muestras de galaxias LOWZ, que presentan un bajo corrimiento al rojo, lo que indica una menor distancia, y galaxias CMASS, que son masivas y se hallan distancias mayores (mayor corrimiento al rojo).
David Schlegel, investigador principal del BOSS, muestra una de las numerosas «placas tapón» utilizadas para cartografiar y seleccionar cientos de galaxias para cada exposición. La luz de cada galaxia entra por un orificio de la placa y es transportada a la cámara CCD por su propia fibra óptica. Cortesía: Berkeley Lab
Una misteriosa supresión en el crecimiento de las estructuras cósmicas
Los científicos también incorporaron una comparación cruzada entre estos datos y los mapas de lente gravitacional del fondo cósmico de microondas (CMB) obtenidos por el satélite Planck de la ESA, lo que permite estudiar la influencia de la materia en la luz de fondo del universo. El análisis se realizó bajo dos enfoques: el modelo estándar ΛCDM y un modelo de energía oscura dinámica, en línea con las hipótesis sugeridas por los hallazgos de DESI.
Los resultados del análisis ofrecen nuevos y reveladores datos sobre las tensiones cosmológicas existentes. Primero, se detectó una supresión en el crecimiento de estructuras cósmicas, medida por el parámetro σ₈, que muestra una disminución significativa (4.5σ) en comparación con las predicciones del modelo ΛCDM basado en los datos del CMB de Planck.
Esto representa la evidencia más fuerte hasta la fecha de una discrepancia en este parámetro utilizando datos del BOSS. Segundo, los resultados no muestran una preferencia significativa por el modelo de energía oscura dinámica. Los parámetros de la ecuación de estado de la energía oscura permanecen consistentes con una constante cosmológica.
Ilustración de las variables cefeidas (puntos rojos) en el centro de la Vía Láctea. Su periodo de variación está directamente relacionado con su brillo intrínseco, lo que las convierte en herramientas clave para medir distancias en el universo. Cortesía: ESO/Microsoft WorldWide Telescope
Las cefeidas, un «metro» para medir distancias cósmicas
En tercer lugar, los valores obtenidos para el parámetro H₀ son consistentes con las mediciones de Planck, pero no resuelven completamente la tensión con las mediciones directas basadas en las distancias calibradas con cefeidas. Estas estrellas variables exhíben una luminosidad que cambia periódicamente de forma regular. Su periodo de variación está directamente relacionado con su brillo intrínseco, lo que las convierte en herramientas clave para medir distancias en el universo.
«Realmente intentamos elegir definiciones consistentes para las muestras de galaxias, descartando partes de los datos disponibles que contenían errores accidentales en los criterios de selección, incluso a costa de nuestras restricciones estadísticas, cuando análisis previos habían utilizado estos datos», ha declarado Philcox.
Además, se realizaron extensas pruebas en las correlaciones cruzadas con lentes del CMB, como parte de estudios previos, para garantizar que no hubiera errores sistemáticos evidentes.
Posibles fenómenos físicos desconocidos
Estos hallazgos tienen importantes implicaciones para nuestra comprensión del universo. Podría haber errores sistemáticos en los datos o en los modelos teóricos que expliquen las discrepancias. Aunque se realizaron pruebas exhaustivas, los científicos reconocen que no se puede descartar por completo esta posibilidad.
Sin embargo, si las discrepancias son reales, podrían apuntar a fenómenos físicos desconocidos. Entre las posibles explicaciones se encuentran los neutrinos masivos, que podrían causar una supresión en el crecimiento de estructuras a pequeñas escalas; los axiones ultraligeros o reliquias masivas ligeras, que alterarían la dinámica del universo temprano; y nuevas interacciones en el sector oscuro, como interacciones entre materia oscura y bariones, que podrían tener efectos medibles en escalas cósmicas.
Desde una perspectiva teórica, sería fascinante construir modelos que expliquen estas tensiones sin contradecir otras observaciones cosmológicas. Esto podría incluir ajustes en las leyes de la gravedad o nuevas dinámicas en la energía oscura.
Tensiones que ayudan a entender el universo
El avance en la precisión de los datos cosmológicos promete arrojar luz sobre estos misterios. Próximas incursiones, como las del DESI y otras misiones de nueva generación, ofrecerán observaciones más robustas y datos libres de posibles errores sistemáticos.
Estas iniciativas serán clave para probar las hipótesis planteadas y refinar aún más nuestra comprensión de las fuerzas que moldean el universo.
La combinación de análisis avanzados y datos más precisos no solo ayudará a resolver las tensiones existentes, sino que también podría abrir nuevas fronteras en la física fundamental. En palabras de Chen, «es un momento emocionante para la cosmología. Cada nueva tensión o anomalía nos acerca más a desentrañar los secretos del cosmos y expandir nuestra comprensión del universo». ▪️
Fuente: Shi-Fan Chen, Mikhail M. Ivanov, Oliver H. E. Philcox, Lukas Wenzl. Suppression without Thawing: Constraining Structure Formation and Dark Energy with Galaxy Clustering. Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.231001
