Astrónomos han desarrollado una nueva forma de poner a prueba uno de los supuestos centrales de la cosmología moderna: que el universo se comporta de manera uniforme en las escalas más grandes. Al aplicar el método a datos de observación reales, los investigadores encontraron indicios preliminares de que este supuesto podría no ser del todo cierto, lo que podría apuntar a una nueva física más allá del modelo cosmológico estándar.
Este trabajo combina observaciones de estrellas distantes en explosión y estudios de galaxias a gran escala para investigar si el universo realmente sigue un marco matemático de casi 100 años de antigüedad conocido como cosmología de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW). Los análisis revelaron desviaciones leves pero interesantes respecto a las predicciones del modelo estándar.
“Observamos una sorprendente violación de una prueba de consistencia de curvatura FLRW, lo que sugiere una nueva física más allá del modelo estándar”, declaró a Live Science por correo electrónico Asta Heinesen, física del Instituto Niels Bohr de Copenhague y de la Universidad Queen Mary de Londres, coautora del estudio. Heinesen se refería a la suposición de que la curvatura del espacio es la misma en todas partes. “Esto podría deberse a diversos efectos, pero se necesita más investigación para determinar la causa de la violación de FLRW que observamos empíricamente”.
Los resultados se presentaron en una serie de tres artículos que introducen nuevas pruebas de diagnóstico para la cosmología y las aplican a conjuntos de datos observacionales existentes. Los artículos, disponibles en el servidor de preimpresiones arXiv, aún no han sido revisados por pares.
Poniendo a prueba los fundamentos de la cosmología
La cosmología moderna se basa en la suposición de que, al observar el universo a escalas suficientemente grandes, este es homogéneo e isotrópico; es decir, la materia se distribuye uniformemente y el cosmos se ve prácticamente igual en todas las direcciones. Esta idea sustenta la cosmología FLRW, que constituye la base del modelo cosmológico estándar, conocido como materia oscura fría lambda.
Pero el universo real contiene una intrincada red cósmica de galaxias, cúmulos de galaxias y enormes regiones vacías conocidas como vacíos. Según Heinesen, esta complejidad implica que la descripción de FLRW no siempre se aplica a la perfección.
“La cosmología FLRW presupone un espaciotiempo con espacios de máxima simetría”, afirmó Heinesen. “Es necesario ir más allá de los espaciostiempos FLRW cuando existen estructuras cosmológicas como cúmulos de galaxias y vacíos espaciales”.
Los investigadores se centraron en dos posibles efectos que podrían distorsionar la geometría aparente del universo. Uno de ellos es el efecto Dyer-Roeder, que se produce porque la luz de objetos distantes suele viajar principalmente a través de regiones vacías del espacio en lugar de a través de entornos ricos en materia. Esto podría provocar que los físicos no detecten gran parte de la densidad de materia del universo, “lo que haría que el universo nos pareciera más vacío de lo que realmente es”, explicó Heinesen.
La segunda posibilidad implica un efecto denominado retroalimentación cosmológica. En este escenario, el crecimiento de estructuras cósmicas a gran escala altera la expansión promedio del espacio mismo.
Una nueva forma de explorar la geometría cósmica
Para investigar estas posibilidades, los investigadores realizaron pruebas de consistencia matemática diseñadas para comprobar si los datos de observación obedecen las reglas esperadas en un universo FLRW. En particular, utilizaron variantes de la prueba de Clarkson-Bassett-Lu, un método que compara mediciones de distancias cósmicas y tasas de expansión.
El equipo desarrolló un marco más general que funciona incluso cuando el universo no se ajusta perfectamente a las suposiciones de FLRW. También introdujeron técnicas de aprendizaje automático conocidas como regresión simbólica para reconstruir historias de expansión cósmica directamente a partir de datos de observación. En lugar de asumir un modelo cosmológico predefinido, el método busca expresiones matemáticas que se ajusten mejor a los datos.
Utilizando observaciones del catálogo de supernovas Pantheon+, junto con mediciones del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), un importante proyecto internacional que cartografía millones de galaxias en todo el universo, los investigadores reconstruyeron la velocidad de expansión del cosmos a lo largo del tiempo. También emplearon datos de estudios de oscilaciones acústicas de bariones, que rastrean patrones antiguos en la distribución de galaxias, dejados por ondas sonoras que viajaron a través del plasma caliente del universo primitivo.
Los análisis revelaron pequeñas pero potencialmente importantes desviaciones de las predicciones de la cosmología FLRW estándar. Dependiendo del conjunto de datos y del método de análisis, la discrepancia alcanzó una significación estadística de entre 2 y 4 sigma. En física, sigma mide la probabilidad de que un resultado se deba puramente al azar; normalmente se requiere un resultado de 5 sigma para que los científicos afirmen un descubrimiento, por lo que los nuevos hallazgos siguen siendo provisionales. Aun así, los resultados sugieren que algo inesperado podría estar afectando la geometría o la expansión del universo.
“El principal hallazgo es que se pueden medir directamente los efectos de Dyer-Roeder y de retroalimentación a partir de los datos cosmológicos disponibles, y distinguir claramente estos efectos de otras alteraciones del modelo cosmológico estándar, como la evolución de la energía oscura y las teorías de gravedad modificada”, afirmó Heinesen. “Esto no era posible anteriormente de una manera tan directa, y creo que este es el gran avance de nuestro trabajo”.
Desafíos y direcciones futuras
Los investigadores advirtieron que la evidencia aún es preliminar. Los datos cosmológicos actuales son todavía relativamente escasos, especialmente en lo que respecta a las mediciones de la tasa de expansión del universo en diferentes épocas. Los métodos de regresión simbólica también introducen incertidumbres que requieren un estudio más profundo. En los artículos, los autores recalcaron que las observaciones mejoradas de futuras encuestas serán esenciales para determinar si las aparentes violaciones de la FLRW son genuinas.
“Si estas desviaciones indicadas de la geometría FLRW son reales, significaría que la mayoría de las soluciones cosmológicas consideradas para resolver las tensiones cosmológicas —la evolución o la interacción de la energía oscura, nuevos tipos de materia o energía, la gravedad modificada y las ideas relacionadas dentro del marco FLRW— quedan descartadas”, escribieron los investigadores.
El siguiente paso consistirá en aplicar el nuevo marco teórico a conjuntos de datos más amplios y precisos. “Se trata de aplicar nuestros resultados teóricos a los datos para poner a prueba el modelo estándar y establecer restricciones sobre los efectos de Dyer-Roeder y de retroalimentación”, explicó Heinesen.
Dado que el método ya puede utilizarse con observaciones astronómicas existentes, los investigadores pronto podrán obtener respuestas más precisas sobre si el universo realmente sigue el modelo simple a gran escala que presupone la cosmología estándar o si complejidades ocultas están transformando nuestra comprensión de la evolución cósmica.
Fuente: Live Science.