Uno de los mayores misterios de la cosmología es la rapidez con la que se expande el universo. Esto se puede predecir utilizando el modelo cosmológico estándar, también conocido como Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM). El modelo se basa en observaciones detalladas de la luz dejada por el Big Bang, también conocido como fondo cósmico de microondas (CMB).
La Expansión del Universo y la Constante de Hubble
La expansión del universo está separando las galaxias. Cuanto más lejos están de nosotros, más rápido se mueven. La relación entre la velocidad de una galaxia y la distancia se rige por la constante de Hubble, que es aproximadamente 70 kilómetros por segundo por megaparsec (una unidad de longitud en astronomía). Esto significa que una galaxia acelera unas 50.000 millas por hora por cada millón de años luz que se aleja de nosotros.
Pero desafortunadamente para el Modelo Estándar, este valor ha sido cuestionado recientemente, lo que ha llevado a lo que los científicos llaman la tensión de Hubble. Cuando medimos la tasa de expansión utilizando galaxias y supernovas cercanas (estrellas en explosión), la tasa fue un 10% más alta que cuando predijimos basándonos en el CMB.
¿Un Vacío Gigante como Solución?
En un nuevo artículo publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, se ofrece una posible explicación: que vivimos en un vacío gigante en el espacio (una región de menos que el promedio). Mostramos que esto puede aumentar las mediciones locales debido a la salida de material del vacío. Los flujos se producirán cuando regiones más densas alrededor del vacío lo separen: ejercerán una fuerza gravitacional mayor que el material de menor densidad dentro del vacío.
En este escenario, necesitaríamos estar cerca del centro del vacío, en un radio de aproximadamente mil millones de años luz, y tener una densidad aproximadamente un 20% menor que el promedio de todo el universo, por lo que no estaríamos completamente vacíos.
El Vacío en Debate: ¿ΛCDM o MOND?
Una brecha tan amplia y profunda es inesperada en el modelo estándar y, por lo tanto, controvertida. El CMB proporciona información sobre la estructura del universo joven, sugiriendo que la materia actual debe estar distribuida de manera bastante uniforme. Sin embargo, contar directamente el número de galaxias en diferentes regiones sugiere en realidad que estamos en un vacío local.
Queríamos probar esta idea más a fondo combinando muchas observaciones diferentes del universo con la suposición de que vivimos en un gran vacío que surge de una pequeña fluctuación de densidad al principio.
El Modelo MOND en Acción
Para hacer esto, nuestro modelo no incorpora ΛCDM sino una teoría alternativa llamada Dinámica Newtoniana Modificada (MOND).
MOND se propuso originalmente para explicar las anomalías en las tasas de rotación de las galaxias, lo que llevó a sugerir la existencia de una sustancia invisible llamada «materia oscura«. En cambio, MOND propone que estas anomalías pueden explicarse por una ruptura de la ley de gravedad de Newton cuando la gravedad es muy débil, como es el caso en las regiones exteriores de las galaxias.
La historia general de la expansión cósmica en MOND sería similar al Modelo Estándar, pero las estructuras (como los cúmulos de galaxias) evolucionarían más rápidamente en MOND. Nuestro modelo captura cómo se vería el universo local en el universo MOND. Y reconocemos que esto permitirá que las medidas locales de las tasas de expansión actuales fluctúen dependiendo de dónde nos encontremos.
Explorando el Vacío: ¿Estamos Cerca del Centro?
Observaciones recientes de galaxias han proporcionado una nueva prueba importante de nuestro modelo basada en las velocidades que predice en diferentes ubicaciones. Esto se puede hacer midiendo el llamado caudal global, que es la velocidad promedio del material en una esfera determinada, densa o no. Esto varía según el radio de la esfera; observaciones recientes sugieren que se extiende hasta mil millones de años luz.
Curiosamente, la salida masiva de galaxias a esta escala es cuatro veces mayor que la tasa esperada en el Modelo Estándar. También parece aumentar con el tamaño de la región considerada, contrariamente a lo que predice el modelo estándar. Las posibilidades de que esto coincida con el modelo estándar son menos de una entre un millón.
Esto nos llevó a ver qué predice nuestro estudio sobre los grandes flujos. Encontramos que esto es bastante consistente con las observaciones. Esto requiere que estemos bastante cerca del centro del vacío, y que el vacío debe estar más vacío en su centro.
¿Está cerrado el caso?
Nuestros resultados llegan en un momento en que las soluciones comunes a la tensión del Hubble están en problemas. Algunas personas piensan que simplemente necesitamos mediciones más precisas. Otros sostienen que el problema puede resolverse asumiendo que las altas tasas de expansión que medimos localmente son realmente correctas. Pero esto requiere modificar ligeramente la historia de expansión en el universo temprano para que el CMB siga pareciendo preciso.
Desafortunadamente, un estudio influyente destacó siete problemas con este enfoque. Si el universo se hubiera expandido un 10% más rápido durante la mayor parte de su historia, también sería aproximadamente un 10% más joven, lo que contradice la edad de las estrellas más antiguas.
La existencia de una brecha local amplia y profunda en el número de galaxias y las rápidas salidas observadas muestran claramente que esta estructura está creciendo más rápido de lo esperado en la escala ΛCDM de decenas a cientos de millones de años luz.
Desafíos Actuales y Perspectivas Futuras
Curiosamente, sabemos que el cúmulo de galaxias gigante de El Gordo se formó demasiado temprano en la historia del universo y tenía una masa y una velocidad de colisión demasiado altas para ser compatible con el modelo estándar. Esto demuestra nuevamente que la estructura se forma demasiado lentamente en este modelo.
Dado que la gravedad es la fuerza dominante a escalas tan grandes, probablemente necesitaremos ampliar la teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general, pero sólo a escalas superiores a un millón de años luz.
Sin embargo, no tenemos una buena manera de medir el comportamiento de la gravedad a escalas mucho mayores: no existen objetos gigantes con gravedad. Podemos asumir que la Relatividad General sigue siendo válida y compararla con las observaciones, pero este mismo enfoque conduce a tensiones muy serias que nuestro mejor modelo cosmológico debe enfrentar actualmente.
A Einstein se le atribuye haber dicho que no podemos resolver problemas con el mismo pensamiento que condujo al problema en primer lugar. Incluso si los cambios necesarios no son drásticos, es posible que veamos la primera evidencia confiable en más de un siglo de la necesidad de revisar nuestra teoría de la gravedad.
Foto: Nasa
