La estructura a gran escala del universo (la gigantesca red cósmica jerárquica de estructuras unidas por la gravedad) está compuesta principalmente de materia oscura. El crecimiento de la estructura a gran escala, desde galaxias individuales hasta cúmulos de galaxias, vacíos cósmicos y filamentos (Fig. 1), gira en torno a una competencia: la gravedad une la materia mientras que la energía oscura separa el espacio. Por lo tanto, la historia de la distribución y evolución de la materia y la estructura a gran escala proporcionan una vía para estudiar las propiedades y la naturaleza de la materia oscura, la gravedad y la energía oscura.
De hecho, las observaciones cosmológicas actuales no coinciden en cuanto a la distribución de la materia en el universo actual. El desacuerdo se cuantifica utilizando una medida llamada S8 que caracteriza la «grumosidad» de la materia en una escala característica de aproximadamente 8 megaparsecs (unos 26 millones de años luz).
Los experimentos de fondo cósmico de microondas, que recolectan fotones del universo temprano y, por lo tanto, son más sensibles a la física de los tiempos tempranos, reportan un valor S8 más alto que los estudios de lentes gravitacionales débiles de galaxias, que miden las formas y posiciones de las galaxias en un universo más antiguo y, por lo tanto, son más sensibles. a la física tardía. Esta discrepancia, conocida como tensión S8, es parte de una crisis cosmológica más amplia, incluida la tensión H0, donde los parámetros del modelo cosmológico estándar como S8 y H0 no se alinean entre las observaciones tempranas y tardías del universo.
¿Qué sucede con el universo tardío?
Si es de origen físico, ¿cuáles son las implicaciones de la tensión S8 para el crecimiento de estructuras a gran escala? Una buena manera de buscar una respuesta clara a esta pregunta es separar claramente la historia de crecimiento de las estructuras cósmicas, es decir, el universo grumoso, de la historia de expansión del fondo cósmico, es decir, el universo liso.
Según el modelo estándar, casi el 70% del universo está lleno de energía oscura constante y este componente impulsa la expansión del fondo cósmico. La energía oscura y la expansión del fondo cósmico, actuando como melaza, suprimen naturalmente el crecimiento de la estructura cósmica. Es decir, actúan como una fricción contra la atracción y agrupación de la materia. Este hecho ya se tiene en cuenta en todos los análisis cosmológicos. Así, la tensión del S8 indica una mayor supresión, más allá de las expectativas del modelo estándar.
Evidencia de una supresión del crecimiento más allá del modelo estándar e implicaciones para la tensión del S8
En un análisis publicado recientemente en Physical Review Letters como sugerencia del editor, adoptando la estrategia de separación crecimiento-expansión, analizamos múltiples conjuntos de datos cosmológicos que caracterizan el crecimiento de estructuras cósmicas en múltiples épocas cósmicas. Específicamente, exploramos la cuestión de si, cuándo y en qué medida la historia de crecimiento de las estructuras a gran escala se desvía de la imagen del modelo estándar.
La Fig. 2 muestra nuestras limitaciones sobre el crecimiento de la estructura a gran escala, a partir de los mismos datos, en dos escenarios: el modelo estándar (negro) y un modelo extendido (naranja) donde se permite que el crecimiento de la estructura se desacople de la expansión de fondo. Los datos del universo temprano y tardío prefieren colectivamente una supresión del crecimiento más allá de lo predicho por el modelo estándar. La evidencia llega a un nivel de significancia estadística de 4,2 sigma, lo que proporciona evidencia sustancial contra el modelo estándar.
Curiosamente, la supresión del crecimiento con respecto al escenario del modelo estándar se vuelve prominente en un momento relativamente tardío. En particular, la desviación sólo se vuelve estadísticamente significativa después de la aparición de la energía oscura. Es decir, las estructuras cósmicas crecen incluso más lentamente de lo esperado en un universo lleno y dominado por energía oscura constante. Esto, por ejemplo, podría implicar una nueva propiedad de la energía oscura en particular, o una teoría modificada de la gravedad en general.
Todos los conjuntos de datos, y combinaciones de los mismos, que consideramos respaldan el escenario de un crecimiento suprimido en los últimos tiempos (más de lo esperado en el modelo estándar) y esto afectará más la extrapolación en los últimos tiempos. Tal escenario alivia naturalmente la tensión S8, como se ilustra en el panel izquierdo de la Fig. 3, donde las mediciones tempranas (rosa) y tardías (azul) ahora concuerdan perfectamente, sin afectar la tensión H0 (panel derecho de la Fig. 3).
¿Cómo es eso? Recordemos que la tensión S8 es la discrepancia entre las mediciones de la aglomeración de la materia en los universos tempranos y tardíos, ambas extrapoladas hasta el día de hoy asumiendo el modelo estándar. Si el crecimiento de la estructura a gran escala ha sido suprimido sólo recientemente (más de lo esperado por el modelo estándar), eso afectaría las mediciones y extrapolaciones precisamente de la misma manera que reduce el valor S8 de las sondas tempranas mientras aumenta su valor de las últimas. -los del tiempo.
Con información de Physical Review Letters
