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

Pero investigadores de la Universidad de Michigan han descubierto que el ritmo al que crecen estas grandes estructuras es más lento de lo predicho por la Teoría de la Relatividad General de Einstein.

También han demostrado que, a medida que la energía oscura acelera la expansión global del universo, la supresión del crecimiento de las estructuras cósmicas que los investigadores observan en sus datos es aún más acusada de lo que predice la teoría. Sus resultados se publican en Physical Review Letters.

Las galaxias están enhebradas por todo nuestro universo como una gigantesca tela de araña cósmica. Su distribución no es aleatoria. Por el contrario, tienden a agruparse. De hecho, toda la telaraña cósmica comenzó como pequeños cúmulos de materia en el universo primitivo, que gradualmente se convirtieron en galaxias individuales y, finalmente, en cúmulos y filamentos de galaxias.

A lo largo del tiempo cósmico, un cúmulo de masa inicialmente pequeño atrae y acumula cada vez más materia de su región local a través de la interacción gravitatoria. A medida que la región se hace cada vez más densa, acaba colapsando bajo su propia gravedad, explica Minh Nguyen, autor principal del estudio e investigador postdoctoral del Departamento de Física de la UM.

A medida que se colapsan, los cúmulos se hacen más densos. Eso es lo que entendemos por crecimiento. Es como un telar en el que los colapsos unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales parecen una hoja, un filamento y un nodo. La realidad es una mezcla de los tres casos, y tienes galaxias que viven a lo largo de los filamentos mientras que los cúmulos de galaxias -grupos de miles de galaxias, los objetos más masivos de nuestro universo limitados por la gravedad- se ubican en los nodos.

Representación artística de la materia en el universo primitivo fusionándose lentamente en grandes estructuras cósmicas en el universo tardío | foto Minh Nguyen, Universidad de Michigan y Thanh Nguyen

El universo no sólo está hecho de materia. Es probable que también contenga un misterioso componente llamado energía oscura. La energía oscura acelera la expansión del universo a escala global. A medida que la energía oscura acelera la expansión del universo, tiene el efecto contrario en las grandes estructuras.

Si la gravedad actúa como un amplificador que potencia las perturbaciones de la materia para que se conviertan en estructuras a gran escala, la energía oscura actúa como un atenuador que amortigua estas perturbaciones y ralentiza el crecimiento de la estructura, explica Nguyen. Examinando cómo se ha ido agrupando y creciendo la estructura cósmica, podemos intentar comprender la naturaleza de la gravedad y la energía oscura.

Nguyen, el profesor de física de la UM Dragan Huterer y el estudiante de posgrado de la UM Yuewei Wen examinaron el crecimiento temporal de la estructura a gran escala a lo largo del tiempo cósmico utilizando varias sondas cosmológicas.

En primer lugar, el equipo utilizó lo que se conoce como fondo cósmico de microondas. El fondo cósmico de microondas, o CMB, se compone de fotones emitidos justo después del Big Bang. Estos fotones proporcionan una instantánea del universo primitivo. A medida que los fotones viajan hasta nuestros telescopios, su trayectoria puede verse distorsionada por estructuras a gran escala. Examinándolos, los investigadores pueden deducir cómo se distribuyen la estructura y la materia entre nosotros y el fondo cósmico de microondas.

Nguyen y sus colegas aprovecharon un fenómeno similar con la lente gravitatoria débil de las formas de las galaxias. La luz de las galaxias del fondo se distorsiona debido a las interacciones gravitatorias con la materia y las galaxias del primer plano. A continuación, los cosmólogos descodifican estas distorsiones para determinar cómo está distribuida la materia intermedia.

Como el CMB y las galaxias de fondo se encuentran a distancias diferentes de nosotros y de nuestros telescopios, las lentes gravitacionales débiles de las galaxias suelen sondear la distribución de la materia más tarde que las lentes gravitacionales débiles del CMB, explica Nguyen.

Para rastrear el crecimiento de la estructura en un momento aún más tardío, los investigadores utilizaron además los movimientos de las galaxias en el universo local. A medida que las galaxias caen en los pozos gravitatorios de las estructuras cósmicas subyacentes, sus movimientos rastrean directamente el crecimiento de la estructura.

La diferencia en estas tasas de crecimiento que hemos descubierto potencialmente se hace más prominente a medida que nos acercamos a la actualidad, dijo Nguyen. Estas diferentes sondas indican individual y colectivamente una supresión del crecimiento. O bien estamos pasando por alto algunos errores sistemáticos en cada una de estas sondas, o bien estamos pasando por alto alguna física nueva y tardía en nuestro modelo estándar.

Los hallazgos podrían abordar la denominada 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 y no se ponen de acuerdo. El primer método, que utiliza fotones del fondo cósmico de microondas, indica un valor de S8 más elevado que el valor inferido a partir de las mediciones de la lente gravitacional débil de las galaxias y de la agrupación de galaxias.

Ninguna de estas sondas mide el crecimiento de la estructura actual. En su lugar, sondean la estructura en épocas anteriores y luego extrapolan esas mediciones a la actualidad, asumiendo el modelo estándar. El fondo cósmico de microondas sondea la estructura en el universo primitivo, mientras que las lentes gravitacionales débiles y la agrupación de galaxias lo hacen en el universo tardío.

Según Nguyen, los hallazgos de los investigadores sobre la supresión del crecimiento en los últimos tiempos pondrían los dos valores de S8 en perfecta concordancia.

Nos sorprendió la elevada significación estadística de la supresión anómala del crecimiento, afirma Huterer. Sinceramente, siento que el universo está intentando decirnos algo. Ahora nos toca a los cosmólogos interpretar estos hallazgos.

Nos gustaría reforzar aún más las pruebas estadísticas de la supresión del crecimiento. También nos gustaría entender la respuesta a la pregunta más difícil de por qué las estructuras crecen más despacio de lo esperado en el modelo estándar con materia oscura y energía oscura. La causa de este efecto puede deberse a propiedades novedosas de la energía oscura y la materia oscura, o a alguna otra extensión de la Relatividad General y el modelo estándar en la que aún no hemos pensado.

FUENTES

University of Michigan

Nhat-Minh Nguyen, Dragan Huterer, and Yuewei Wen, Evidence for Suppression of Structure Growth in the Concordance Cosmological Model. Phys. Rev. Lett. 131, doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.111001

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