Cómo (casi) nada podría resolver las preguntas más importantes de la cosmología | Revista Cuanta

Como una ciudad brillante en medio de un desierto árido, nuestro vecindario galáctico está envuelto por un vacío cósmico, una bolsa de espacio enorme, casi insondable. Recientemente, los estudios del cielo han detectado miles más de estas burbujas vacías. Ahora, los investigadores han encontrado una forma de extraer información de estos vacíos cósmicos: al contar cuántos de ellos existen en un volumen de espacio, los científicos han ideado una nueva forma de explorar dos de las cuestiones más espinosas de la cosmología.

“Es la primera vez que usamos números vacíos para extraer información cosmológica”, dijo Alicia Pisani, cosmólogo de la Universidad de Princeton y del Instituto Flatiron y autor de un nueva preimpresión describiendo la obra. “Si queremos traspasar los límites de la ciencia, debemos ir más allá de lo que ya se ha hecho”.

Los investigadores han estado buscando nuevas herramientas en parte porque tienen grandes misterios que resolver. El primero, y el más desconcertante, es la velocidad a la que se expande el universo, un valor conocido como constante de Hubble. Durante más de una década, los científicos han luchado por reconciliar las mediciones contradictorias de esta tasa, y algunos incluso llaman al problema el La mayor crisis de la cosmología..

Además, los investigadores han mediciones contradictorias de la aglomeración de la materia cósmica: la densidad promedio de las estructuras a gran escala, la materia oscura, las galaxias, el gas y los vacíos distribuidos por todo el universo en función del tiempo.

Normalmente, los astrónomos miden esos valores de dos formas complementarias. Curiosamente, estos dos métodos producen valores diferentes tanto para la constante de Hubble como para la llamada fuerza de agrupamiento de la materia.

En su nuevo enfoque, Pisani y sus colegas usan vacíos cósmicos para estimar ambos valores. Y sus primeros resultados, que parecen estar mucho más de acuerdo con uno de los métodos tradicionales que con el otro, ahora están contribuyendo con sus propias complejidades a un desacuerdo ya tenso.

“La tensión del Hubble ha durado una década hasta ahora porque es un problema difícil”, dijo Adán Riess, un astrónomo de la Universidad Johns Hopkins que usa supernovas para estimar la constante de Hubble. “Los problemas obvios se han verificado y los datos han mejorado, por lo que el dilema se profundiza”.

Ahora, la esperanza es que estudiar casi nada pueda conducir a algo grande.

construyendo burbujas

Los vacíos son regiones del espacio que son menos densas que el universo, en promedio. Sus límites están definidos por las inmensas láminas y filamentos de galaxias que se tejen en todo el cosmos. Algunos vacíos abarcan cientos de millones de años luz y, juntas, estas burbujas constituyen al menos el 80 % del volumen del universo. Sin embargo, durante mucho tiempo nadie les prestó mucha atención. “Comencé mi investigación en 2011 con alrededor de 200 vacíos”, dijo Pisani. “Pero ahora tenemos aproximadamente 6,000”.

Las burbujas tienden a expandirse porque dentro de ellas no hay mucha materia que ejerza una atracción gravitatoria hacia adentro. Las cosas fuera de ellos tienden a mantenerse alejadas. Y cualquier galaxia que comience dentro de un vacío es arrastrada hacia afuera por la atracción gravitatoria de las estructuras que definen el borde de un vacío. Por eso, en un vacío “pasa muy poco”, dijo Pisani. “No hay fusiones, ni astrofísica complicada. Esto los hace muy fáciles de tratar”.

Pero la forma de cada vacío es diferente, lo que puede dificultar que los científicos los identifiquen. “Queremos asegurarnos de que nuestros vacíos sean robustos”, dijo Pisani. “¿Qué tan vacío tiene que estar y cómo lo mido?”

Resulta que la definición de “nada” depende del tipo de información que los astrónomos quieran extraer. Pisani y sus colegas comenzaron con una herramienta matemática llamada diagrama de Voronoi, que identifica las formas que componen un mosaico 3D. Estos diagramas se usan típicamente para estudiar cosas como burbujas en espumas y células en tejidos biológicos.

En el trabajo actual, Pisani y sus colegas adaptaron sus teselaciones de Voronoi para identificar alrededor de 6,000 vacíos en los datos de un enorme proyecto de mapeo galáctico llamado Encuesta espectroscópica de oscilación bariónica (JEFE).

“Los vacíos son complementarios al catálogo de galaxias”, dijo Benjamín Wandelt, un astrofísico de la Universidad de la Sorbona en París que no participó en el estudio. "Son una nueva forma de investigar la estructura cósmica".

Una vez que Pisani y sus colegas tuvieron su mapa de vacíos, se dispusieron a ver qué podía revelar sobre el universo en expansión.

Algo de la nada

Todo vacío cósmico es una ventana a un gran conflicto cósmico. Por un lado, está la energía oscura, la fuerza misteriosa que hace que nuestro universo se expanda cada vez más rápido. La energía oscura está presente incluso en el espacio vacío, por lo que domina la física del vacío. En el otro lado del conflicto está la gravedad, que intenta juntar el vacío. Y luego la aglomeración de la materia añade arrugas a los vacíos.

Pisani y sus colegas, incluidos Sofía Contarini de la Universidad de Bolonia, modeló cómo la expansión del universo afectaría la cantidad de vacíos de diferentes tamaños. En su modelo, que mantuvo constantes un puñado de otros parámetros cosmológicos, una tasa de expansión más lenta produjo una mayor densidad de vacíos más pequeños y arrugados. Por otro lado, si la expansión era más rápida y la materia no se aglomeraba tan fácilmente, esperaban encontrar más vacíos grandes y suaves.

Luego, el grupo comparó las predicciones de su modelo con las observaciones de la encuesta BOSS. A partir de esto, pudieron estimar tanto la aglomeración como la constante de Hubble.

Luego yuxtapusieron sus medidas con las dos formas tradicionales de medir estos valores. El primer método utiliza un tipo de explosión cósmica llamada supernova Tipo Ia. El segundo se basa en el fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación que quedó del Big Bang.

Los datos vacíos revelaron una constante de Hubble que varió menos del 1 % de la estimación del CMB. El resultado de la aglomeración fue más confuso, pero también se alineó más estrechamente con el CMB que con las supernovas de Tipo Ia.

Sorprendentemente, los vacíos en la encuesta BOSS se encuentran más cerca en el espacio y el tiempo de las supernovas Tipo Ia más recientes, lo que hace que sea un poco sorprendente que las mediciones de los vacíos se alineen más estrechamente con el CMB primordial. Sin embargo, Wandelt sugirió que los resultados podrían revelar una nueva comprensión del universo.

“Hay una percepción profunda que me pone los pelos de punta”, dijo. Dentro de los vacíos, las estructuras nunca se formaron ni evolucionaron, por lo que los vacíos "son cápsulas del tiempo del universo primitivo".

En otras palabras, si la física del universo primitivo era diferente de la física actual, los vacíos pueden haberla preservado.

El futuro de la ausencia

Otros piensan que es demasiado pronto para sacar conclusiones de los nuevos resultados.

Incluso con miles de vacíos, las barras de error del estudio siguen siendo demasiado grandes para decir algo concluyente. “Este análisis está muy bien hecho”, dijo ruth durrer, un físico teórico de la Universidad de Ginebra que no participó en la investigación. Pero, anotó Durrer, los resultados aún no han alcanzado significación estadística. “Si Alice quiere estar en el club de las mediciones constantes de Hubble increíblemente buenas, tiene que llegar al límite del 1%, lo cual es un gran desafío”, dijo Durrer.

Pisani dijo que considera que el trabajo es una prueba de concepto. Probablemente tomará otra década, y la ayuda de futuras misiones como el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA y el Observatorio SPHEREx, para acumular suficientes datos vacíos para estar a la par con las mediciones conflictivas de CMB y supernova Tipo Ia.

Durrer también señala que tal vez estos argumentos, los intentos de reconciliar las tensiones cósmicas, son mucho ruido y pocas nueces, y que los desacuerdos de observación podrían estar apuntando a una realidad que los científicos no deberían intentar borrar.

“Los grupos de supernova y CMB están haciendo mediciones que son muy, muy diferentes”, dijo. “Entonces puede haber una nueva física que explique por qué no deberíamos estar viendo lo mismo”.

Nota del editor: Alice Pisani recibe financiación de la Fundación Simons, que también financia esta revista editorialmente independiente. Las decisiones de financiación de la Fundación Simons no influyen en nuestra cobertura. Más detalles son disponible aquí.