Mirando al cielo nocturno, puede parecer que nuestro vecindario cósmico está repleto de planetas, estrellas y galaxias. Pero los científicos llevan tiempo sugiriendo que puede haber muchas menos galaxias en nuestro entorno cósmico de lo esperado.
© Gabriela Secara, Perimeter Institute, CC BY-SALas oscilaciones acústicas de bariones representan el sonido del Big Bang.
No todos los físicos están convencidos de que sea así. Pero nuestro reciente artículo sobre el análisis de los sonidos distorsionados del universo primitivo, publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, respalda firmemente la idea.
La cosmología se encuentra actualmente en una crisis conocida como la tensión de Hubble: el universo local parece expandirse un 10% más rápido de lo previsto. El ritmo previsto se obtiene extrapolando las observaciones del universo incipiente hasta nuestros días utilizando el modelo estándar de cosmología, conocido como Lambda-Materia Oscura Fría (ΛCDM).
Podemos observar el universo primitivo con gran detalle a través del fondo cósmico de microondas (CMB), una radiación reliquia del universo primitivo, cuando era 1.100 veces más pequeño de lo que es hoy. Las ondas sonoras del universo primitivo acabaron creando zonas de bajas y altas densidades, o temperaturas.
El estudio de las fluctuaciones de temperatura del CMB a diferentes escalas nos permite «escuchar» el sonido del universo primitivo, que es especialmente «ruidoso» a determinadas escalas.
Estas fluctuaciones han quedado impresas en el CMB y se conocen como "oscilaciones acústicas de bariones" (BAO). Como éstas se convirtieron en el germen de las galaxias y otras estructuras, los patrones también son visibles en la distribución de las galaxias.
Midiendo estos patrones, podemos aprender cómo se agrupan las galaxias a diferentes desplazamientos al rojo (distancias). Un patrón especialmente llamativo, con gran cantidad de agrupaciones, se produce en un ángulo denominado "escala angular BAO".
© NASAIlustración que muestra que se formaron ligeramente más galaxias a lo largo de las ondulaciones de las ondas sonoras primordiales (marcadas en azul) que en otros lugares. Después, los anillos de galaxias se estiraron con la expansión del universo. Otras galaxias aparecen atenuadas en esta imagen para que el efecto sea más fácil de ver.
Midiendo su tamaño angular en el cielo, los cosmólogos pueden calcular su distancia a la Tierra mediante trigonometría. También se puede utilizar el desplazamiento al rojo para determinar la velocidad de expansión del cosmos. Cuanto más grande aparece en el cielo a un determinado desplazamiento al rojo, más rápido se expande el universo.
Mis colegas y yo argumentamos anteriormente que la tensión de Hubble podría deberse a nuestra ubicación dentro de un gran vacío. Esto se debe a que la escasa cantidad de materia que hay en el vacío se vería atraída gravitatoriamente por la materia más densa que hay fuera de él, fluyendo continuamente fuera del vacío.
En investigaciones anteriores, demostramos que este flujo haría parecer que el universo local se expande un 10% más rápido de lo esperado. Eso resolvería la tensión de Hubble.
Pero queríamos más pruebas. Y sabemos que un vacío local distorsionaría ligeramente la relación entre la escala angular BAO y el desplazamiento al rojo debido a la materia que se mueve más rápido en el vacío y su efecto gravitatorio sobre la luz procedente del exterior.
Así que en nuestro nuevo artículo, Vasileios Kalaitzidis y yo nos propusimos poner a prueba las predicciones del modelo del vacío utilizando mediciones de BAO recogidas durante los últimos 20 años. Comparamos nuestros resultados con modelos sin vacío y con la misma historia de expansión de fondo.
En el modelo de vacío, la regla BAO debería parecer mayor en el cielo a cualquier desplazamiento al rojo. Y este exceso debería ser aún mayor con un desplazamiento al rojo bajo (distancia cercana), en línea con la tensión de Hubble.
Las observaciones confirman esta predicción. Nuestros resultados sugieren que un universo con un vacío local es unas cien millones de veces más probable que un cosmos sin él, cuando se utilizan las mediciones de BAO y se asume que el universo se expandió según el modelo estándar de cosmología informado por el CMB.
Nuestra investigación muestra que el modelo ΛCDM sin ningún vacío local está en "tensión 3,8 sigma" con las observaciones BAO. Esto significa que la probabilidad de que un universo sin vacío se ajuste a estos datos es equivalente a que una moneda salga cara 13 veces seguidas. Por el contrario, la probabilidad de que los datos de BAO se ajusten a los modelos de vacío es equivalente a que una moneda no trucada salga cara sólo dos veces seguidas. En resumen, estos modelos se ajustan bastante bien a los datos.
En el futuro, será crucial obtener mediciones más precisas de BAO a bajo desplazamiento al rojo, donde la regla estándar de BAO parece más grande en el cielo, incluso más si estamos en un vacío.
La tasa de expansión media hasta ahora se deduce directamente de la edad del universo, que podemos estimar a partir de las edades de las antiguas estrellas de la Vía Láctea. Un vacío local no afectaría a la edad del universo, pero algunas propuestas sí lo hacen. Estas y otras sondas arrojarán más luz sobre la crisis de Hubble en cosmología.
Indranil Banik
Indranil Banik es investigador postdoctoral de Astrofísica en la Universidad de Portsmouth. Siempre le ha interesado la astrofísica. En la actualidad trabaja en la comprobación de si la crisis de Hubble a la que se enfrenta la cosmología se debe a que nuestra ubicación en un gran vacío infla las mediciones locales de la tasa de expansión cósmica. Anteriormente trabajó en la comprobación de si las galaxias se mantienen unidas principalmente por una sustancia invisible llamada materia oscura o por un ajuste de la ley de la gravedad de Newton en situaciones en las que no se ha sometido a prueba directamente.
Comentarios del Lector
a nuestro Boletín