¿Un vacío en el espacio y en el modelo estándar?

Astrobito escrito por Elena Asencio (autora invitada) y Abbé Whitford. Astrobite original.

Elena Asencio es una estudiante de doctorado de tercer año en la Universidad de Bonn. Su trabajo consiste en testear y comparar distintos modelos cosmológicos en las escalas de galaxias y cúmulos de galaxias. 

Abbé Whitford es estudiante de doctorado de tercer año de la Universidad de Queensland. Usa la estructura de gran escala para estudiar modelos cosmológicos y física de partículas mediantes  galaxias y velocidades peculiares.

A día de hoy, el modelo cosmológico más generalmente aceptado es el modelo ΛCDM – un modelo simple capaz de explicar la mayoría de los fenómenos a gran escala en el Universo y de predecir observaciones del Fondo Cósmico de Microondas (CMB, por sus siglas en inglés). La Λ  representa la energía oscura – una sustancia desconocida que provoca que el Universo acelere su expansión y cuyo descubrimiento fue galardonado con el premio Nobel en 1998. El término CDM (Cold Dark Matter) corresponde a la materia oscura fría. Esta es un tipo de materia desconocida e invisible que se usa para explicar la discrepancia entre la materia observable y la inferida por la velocidades orbitales en las afueras de las galaxias, entre otros fenómenos.

La tensión de Hubble 

A pesar de los aciertos de ΛCDM, existe la famosa tensión de Hubble. Esta se refiere a la discrepancia entre la constante de Hubble medida en observaciones del presente y la medida en el Universo primitivo. Es decir, según las observaciones, el universo se expande a velocidades distintas en el Universo cercano y en el distante.

La tensión del Flujo Global 

Una tensión cosmológica menos conocida es la del Flujo Global. El flujo global se puede considerar como el movimiento medio de las galaxias en una porción del espacio, pero solo la parte del movimiento que proviene de las interacciones gravitacionales (vea la Figura 1). En este caso, la tensión es entre la moción medida a partir de observaciones y la moción predicha por ΛCDM, en vez de ser entre medidas de distintos datos observacionales (como en el caso de la tensión de Hubble). El flujo global está influenciado por la distribución de perturbaciones de materia y la gravedad, y puede ser predicho por un modelo cosmológico. Varios estudios han encontrado que la velocidad del flujo global es excesiva, según las expectativas de  ΛCDM. Por otra parte, otros estudios que han realizado un análisis de datos distinto han encontrado que el flujo global solo tiene una ligera tensión con ΛCDM. 

Figura 1: ilustración del flujo global como la adición de las velocidades de las galaxias dentro de un volumen.

Un gran vacío cósmico en el Universo local 

Una posible manera de explicar un flujo global tan grande es mediante la existencia de una enorme región subdensa en nuestro Universo local. En este escenario, la materia en la región subdensa experimentaría una atracción gravitatoria hacia la región más densa, generando así grandes flujos globales que podrían ser observados dependiendo del punto de vista del observador (ver Figura 2). Varios estudios han indicado que el Grupo Local está situado dentro de una subdensidad entre un 15-40% más baja de lo esperado para una distribución uniforme de la materia. Curiosamente, un estudio no encontró evidencia de tal vacío, lo que desató cierto debate dentro de la comunidad científica sobre la existencia de la subdensidad.

Aunque diferentes sondas (observaciones ópticas, infrarrojas, de rayos X y de radio) estiman tamaños algo diferentes para la subdensidad, la mayoría de las observaciones infrarrojas son consistentes con un diámetro de alrededor de 600 megaparsecs. Una subdensidad tan grande es incompatible con las expectativas de ΛCDM pero podría generar flujos globales consistentes con las observaciones. También podría llevar a un aumento en los valores de la constante de Hubble obtenidos con sondas locales debido a los flujos de velocidad dirigidos desde la subdensidad hacia afuera. Dentro del marco de ΛCDM, la subdensidad encontrada por estos estudios no sería lo suficientemente grande como para resolver la tensión de Hubble, pero esto podría ser posible en modelos con gravedad modificada.

Figura 2: Simulación de la estructura a gran escala del Universo – los filamentos azules y oscuros corresponden a regiones de alta y baja densidad respectivamente. La estrella amarilla representa a un observador dentro del vacío, y las flechas rojas representan la atracción gravitatoria que experimenta hacia las regiones más densas. Créditos: Moritz Haslbauer y Zarija Lukic.

Probando un modelo de gravedad modificada para reconciliar las observaciones

Los autores del artículo de hoy comprobaron en su estudio si una subdensidad local puede explicar la amplitud del flujo global indicado por las observaciones. Para su estudio, utilizaron un modelo alternativo conocido como Neutrino-Materia Oscura Caliente (νHDM), que intercambia la materia oscura fría de ΛCDM por neutrinos estériles y asume Dinámica Milgromiana (MOND) como la ley gravitacional. En MOND, la gravedad experimenta un aumento en el régimen de bajas aceleraciones, lo que hace que la formación de estructuras, y consecuentemente, la formación de grandes vacíos entre las estructuras, sea más eficiente que en ΛCDM. Por otro lado, la adición de partículas no interactivas al modelo MONDiano permite una historia de expansión del Universo muy similar a la de ΛCDM, incluyendo la forma del espectro de potencia del CMB.

Para llevar a cabo esta comprobación, los autores construyeron un modelo de la subdensidad basado en observaciones de nuestro Universo local. Los flujos globales que un observador esperaría medir dependen de su posición dentro de la subdensidad. Para encontrar esta posición, los autores consideraron el campo de velocidades del modelo – que tiene en cuenta el movimiento de la materia hacia las afueras del vacío y un movimiento sistémico del vacío hacia la izquierda – y buscaron una ubicación dentro del vacío en la que la velocidad coincidiera con la del Grupo Local (medido por el dipolo del CMB). Esto los llevó a obtener un flujo global en el modelo 50-100 km/s más bajo que el observado.

Los autores señalaron en su artículo que ignorar el movimiento causado por las estructuras muy cercanas al observador dentro del vacío podría llevar a una amplitud de flujo global más baja. Si se tiene en cuenta la atracción gravitatoria adicional ejercida por los cúmulos de galaxias Virgo y Fornax en el Grupo Local que contiene nuestra Galaxia (Figura 3), el flujo global predicho por el modelo puede coincidir con el inferido en las observaciones.

Resumen 

Reconciliar las observaciones del flujo global con las observaciones de la subdensidad local podría reducir tres potenciales problemas cosmológicos (la tensión de Hubble, la tensión del flujo global y la tensión de la subdensidad) a uno: la formación de una gran región subdensa alrededor del Grupo Local. Aunque νHDM parece no tener dificultades formando estas estructuras, el modelo todavía tiene problemas a la hora de cumplir con algunas de las restricciones del Universo real. Por ejemplo, el número de cúmulos supermasivos y de grandes vacíos parece estar sobreestimado en este modelo, y la formación de grupos y cúmulos de galaxias comienza cuando el Universo tiene aproximadamente 1.5 mil millones de años (ya se han observado protocúmulos 800 millones de años después del Big Bang). En el modelo ΛCDM, las estructuras comienzan a formarse significativamente antes que en νHDM. Sin embargo, este modelo es demasiado homogéneo como para concordar con la gran subdensidad nombrada en este estudio. Además de las tensiones mencionadas anteriormente, observaciones recientes de cúmulos de galaxias masivas y agujeros negros gigantes en el universo primitivo  sugieren que ΛCDM tiene problemas adicionales que abordar en cuanto a la eficiencia de formación de estructuras. Si bien νHDM debe concordar con las observaciones antes de que pueda considerarse una alternativa viable, el trabajo presentado en el astrobito de hoy sugiere que un modelo con un crecimiento de estructuras más eficiente podría conciliar varias tensiones en la literatura.