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16 de Septiembre de 2020
Cosmología

Una nueva tensión cósmica: puede que la materia no se aglomere en el universo como se creía

Los cosmólogos van llegando a la conclusión de que el universo es más homogéneo de lo que debería. ¿Tendrán una misma solución los dos grandes quebraderos de cabeza de la cosmología?

Gracias al Telescopio de Sondeo del complejo del Telescopio Muy Grande, en el Cerro Paranal del desierto chileno de Atacama, el sondeo KiDS ha aportado más indicios de una posible nueva anomalía que afecta al modelo estándar de la cosmología [ESO/G. Lombardi].

El cosmos empieza a parecer un poco raro. Desde hace ya unos años, les inquieta a los cosmólogos una discrepancia acerca de la velocidad a la que se expande el universo. Saben a cuál debería hacerlo, basándose en la antigua luz del universo primitivo, pero lo que se ve es que el universo moderno ha cogido demasiada velocidad. Da a entender que los científicos han pasado por alto alguno de los ingredientes fundamentales del universo o algún aspecto de la mezcla de esos ingredientes.

Es posible que ahora se esté abriendo una segunda grieta en el llamado modelo estándar de la cosmología: a finales de julio se anunció que el universo moderno parece, además, que no es suficientemente grumoso. Las galaxias y el gas y demás materia no se han aglomerado tanto como deberían. Unos cuantos estudios ofrecían ya indicios parecidos, pero este nuevo análisis de siete años de datos representa por ahora la más nítida y autosuficiente señal de que hay una anomalía.

«Si ahora hubiese congresos», dice Michael Hudson, cosmólogo de la Universidad de Waterloo, en Canadá, que no participó en la investigación, «tomándose el café no se hablaría más que de esos resultados».

Como pasa con la mayoría de las mediciones de la estructura a gran escala del universo actual, el estudio está preñado de dificultades. También es posible, aunque improbable, que los resultados se deban al azar. No obstante, algunos investigadores se preguntan si la creciente tendencia de las mediciones a salirse de madre no presagiará el descubrimiento de un nuevo agente cósmico.

«Ya tenemos la materia y la energía oscuras», dice Hudson. «Espero que no necesitamos una cosa oscura más».

Otra serie de timbres de alarma

Lo difícil en el estudio del universo moderno es que en su mayor parte resulta invisible. Los astrónomos vislumbran el gran cuadro allá donde las galaxias se juntan en resplandecientes cúmulos. Pero en muy buena medida siguen sin poder percibir las tenues hebras de gas que entretejen esos nodos en una vasta red. Y lo que aún es peor, la mayoría cree que esas galaxias y pistas de gas son poco más que el oropel que decora un masivo armazón de «materia oscura», esa de la que sobre todo está hecho el meollo del universo.

El nuevo estudio es la aplicación más refinada hasta ahora de una técnica que revela lo no visto. Para que la luz de una galaxia lejana llegue hasta la Tierra tiene que haber pasado por filamentos de materia oscura y apagadas nubes de gas. Estos parajes espesos atraen a la luz gravitatoriamente, así que van sembrando su trayectoria de torcimientos. Para cuando la luz de la galaxia remota llegue a un telescopio terrestre, estará sutilmente distorsionada, quizás aplastada en forma de una elipse exagerada. Los astrónomos tratarán entonces de cartografiar la materia oscura invisible midiendo a través de una extensa franja del cielo las distorsiones estadísticas de las formas de un número enorme de galaxias lejanas.

<strong>Así desvelan las distorsiones la materia oculta. </strong>La luz procedente de galaxias remotas pasa a menudo junto a estructuras masivas, junto a, por ejemplo, cúmulos de galaxias. La masa tuerce la luz y distorsiona la forma aparente de las galaxias. Midiendo esas distorsiones, se puede reconstruir la estructura del universo interpuesto. En el gráfico, las acumulaciones de materia oscura, en violeta, doblan las trayectorias de la luz de manera diferente según los casos y distorsionan en distinta medida la imagen de las galaxias en el espacio, tal y como la observan los telescopios [Samuel Velasco/<em>Quanta Magazine</em>; fuente: news.rub.de].

En la nueva investigación, los miembros del Sondeo del Kilo-Grado, o KiDS, observaron unos 31 millones de galaxias situadas hasta a diez mil millones de años luz de distancia y se valieron de esas observaciones para calcular distribuciones medias del gas oculto y de la materia oscura del universo. Encontraron que el grado de aglomeración era casi un diez por ciento menor que lo predicho por el modelo cosmológico hegemónico, el llamado «lambda-materia oscura fría» (lambda se refiere a la energía oscura, en la forma conocida como «constante cosmológica»).

Estadísticamente, la diferencia es tal que la probabilidad de que datos adicionales la disipen es de alrededor de 1 en 1400, mucho mayor que el exigente estándar de la especialidad, 1 en 1.700.000, pero mucho menor que si fuera como tirar una moneda al aire. «Esta tensión está ahora en un nivel que como poco intriga o tienta», dice Marika Asgari, cosmóloga de la Universidad de Edimburgo y miembro de KiDS.

Más aún, otras mediciones independientes respaldan el hallazgo de que el universo contemporáneo no parece tan grumoso como debería. «Se trata de otra serie de timbres de alarma», en palabras de Hudson.

Hudson ha intentado descifrar el universo oculto mediante la observación de la deriva de las galaxias en las corrientes cósmicas. Si la materia estuviese perfectamente distribuida, como una niebla fina, la expansión del universo iría apartando regularmente unos objetos de otros con un movimiento de deriva llamado flujo de Hubble. Pero el universo está acribillado de vacíos y tachonado de supercúmulos ricos en materia oscura. El tirón gravitatorio de los supercúmulos acerca a las galaxias, mientras que los vacíos las dejan volar libremente. Midiendo las «velocidades peculiares» de las supernovas (hasta qué punto se desvían de su flujo de Hubble local), Hudson y sus colaboradores han creado sus propios mapas de la masa oculta del cosmos.

Hudson dio en 2015 con el primer indicio de que universo no se ha aglomerado tanto como se creía. Los mapas subsiguientes de la velocidad peculiar han presentado la misma turbadora regularidad. Hudson y sus colaboradores publicaron en julio un trabajo donde inferían una anómala carencia de aglomeración casi tan grande como la encontrada por KiDS.

Además, al menos una docena de sondeos han ido encontrando en los últimos ocho años, con técnicas diferentes, un universo de hoy al que le falta un poco, al menos, de grumosidad. Cada uno de esos sondeos tiene poca significatividad por sí mismo, pero hay cosmólogos a los que resulta cada vez más sospechoso que todas las mediciones se queden cortas con respecto a la predicción teórica en vez de distribuirse indiferentemente alrededor de esta.

«Cuando vas viendo lo mismo en todo un montón de conjuntos de datos distintos», explica Hudson, «piensas que realmente significa algo».

Anomalías contradictorias

Si se trata de un mensaje del universo, el significado sigue sin estar claro. El modelo estándar de la cosmología concuerda con las observaciones tan ajustadamente que a los teóricos no les es posible añadir nuevas piezas a placer. Las mediciones más precisas del universo primitivo son las que aportó la colaboración Planck. Publicó sus resultados finales en 2018. «Cuesta encontrar algo nuevo que no rompa con Planck», dice Daniel Scolnic, cosmólogo de la Universidad Duke que estudia el ritmo de la expansión.

Pero la camisa de fuerza de Planck tiene algunas hebillas flojas; los teóricos llevan jugueteando con ellas desde hace años con el propósito de explicar la expansión inesperadamente rápida.

Ahora tienen que emprender dos tareas contradictorias. Para resolver el problema original, el de la expansión del universo, necesitan un fenómeno que le dé al universo un empellón separador extra. Pero para resolver la nueva anomalía han de debilitar el influjo gravitatorio que hace que el universo se aglomere. Al juntarse los dos problemas, según Julien Lesourges, cosmólogo teórico de la Universidad RWTH de Aquisgrán y miembro de la colaboración Planck, «encontrar una explicación de ambos se convierte en una pesadilla».

Por ejemplo, para poner en marcha la expansión, algunos teóricos han intentado añadirle al universo primitivo la «radiación oscura». Pero tienen que equilibrar esa radiación adicional con la materia adicional que espesa el universo. Así que para acabar llegando al universo que vemos, tienen que inventarse nueva interacciones entre los diversos ingredientes oscuros para obtener el deseado déficit de aglomeración.

Otra posibilidad es que la materia oscura, que conduce al universo a aglomerarse, se transforme en energía oscura, que tiende a dispersarlo. O quizá la Tierra se halle en un vasto vacío que está sesgando las observaciones. O quizá no haya relación entre las dos anomalías. «No he visto nada que sea convincente», dice Hudson, «pero si fuese un teórico esto de ahora me apasionaría».

Una de las dos tensiones, o las dos, podría todavía disiparse con más datos. KiDS es uno de los tres grandes sondeos de lentes gravitatorias débiles que se están realizando actualmente, junto con el internacional Sondeo de la Materia Oscura, en Chile, y el japonés de la Hyper Suprime-Cam, en el telescopio Subaru, que está en Hawai. Cada uno rastrea una región distinta del cielo, con profundidades diferentes. Los resultados de la última campaña de Sondeo de la Energía Oscura, que cubrió una zona del cielo cinco veces mayor que KiDS, se publicará en los meses venideros. «Todo el mundo está más o menos en ascuas», según Scolnic. «Es lo siguiente que va a ser grande en cosmología».

Michael Troxel, de la Universidad Duke, que trabaja con las lentes gravitatorias débiles para el Sondeo de la Energía Oscura, elogia al equipo de KiDS por llevar la técnica a nuevas alturas de precisión y por haber cubierto una cantidad de cielo mayor que nunca. Pero resalta también que una montaña de dificultades técnicas hace que cueste ahondar demasiado en una medición concreta. A una distancia de miles de millones de años luz las galaxias no son más que unos meros píxeles; complica el análisis de su forma. Los investigadores tienen que saber además a qué distancia está cada galaxia, y la manera que tengan de tratar las incertidumbres que acompañan a esas distancias pueden o rebajar o exagerar la tensión.

«No apostaría ni un céntimo a cuál pueda ser el valor definitivo», dice Troxel.

Charlie Wood / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «KiDS-1000 Cosmology: Cosmic shear constraints and comparison between two point statistics», de Marika Asgari et al., en arXiv:2007.15633 [astro-ph.CO].

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