Un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters analiza el conjunto más completo de datos de agrupamiento de galaxias para probar el modelo ΛCDM, revelando discrepancias en la formación de estructuras cósmicas en el universo, lo que sugiere una nueva física.
El modelo ΛCDM es el modelo estándar de la cosmología que describe la evolución, expansión y estructura del universo. Abarca la materia oscura fría (CDM), la materia y la radiación normales, y la constante cosmológica (Λ), que explica la energía oscura.
El modelo ha tenido éxito en explicar varias observaciones cosmológicas, incluida la estructura a gran escala del universo, la expansión acelerada del universo y la radiación de fondo cósmico de microondas (CMB), que es el resplandor del Big Bang.
A pesar de esto, ΛCDM no explica fenómenos como la inflación cósmica, la energía oscura y la materia oscura. Observaciones recientes, como los datos de DESI (Dark Energy Survey Instrument), han sugerido anomalías potenciales en ΛCDM.
El equipo de investigación se propuso analizar si estas anomalías podrían estar conectadas y podrían indicar un nuevo modelo físico específico.
El equipo estuvo formado por el Dr. Shi-Fan Chen, del Instituto de Estudios Avanzados de Nueva Jersey; el profesor Mikhail Ivanov, del Instituto Tecnológico de Massachusetts; el Dr. Oliver Philcox, de la Universidad de Columbia; y Lukas Wenzl, un estudiante de posgrado de Cornell.
Al hablar de la motivación detrás de su trabajo, el Dr. Chen dijo: «Poder predecir cualquier cosa sobre el universo es genial, pero lo que es especialmente interesante es que tenemos muchos observables diferentes de muchos estudios cuyas mediciones podemos modelar utilizando una teoría efectiva y consistente».
Conectando los puntos cósmicos
Como se mencionó, el modelo ΛCDM no tiene en cuenta ciertos fenómenos basados en observaciones recientes.
Entre ellas se incluyen la discrepancia entre las mediciones directas e indirectas de la tasa de expansión del universo (la tensión de Hubble), la discrepancia entre las mediciones directas e indirectas de la agrupación de la materia, es decir, el crecimiento de la estructura (la tensión σ8), y los datos recientes de DESI que sugieren una posible evidencia de la energía oscura dinámica.
El enfoque del equipo de investigación es nuevo porque quieren ver si la misma física subyacente podría explicar estas anomalías. Para probar la hipótesis, los investigadores combinaron mediciones de múltiples fuentes para crear un conjunto de datos completo.
Esto incluyó el conjunto de datos DR12 de BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) con capas galácticas del norte y del sur, muestras de LOWZ (galaxias de bajo corrimiento al rojo) y CMASS (galaxias de alta masa) que cubren diferentes rangos de corrimiento al rojo, y correlación cruzada con mapas de lentes gravitacionales del CMB de Planck.
Estos datos se analizaron en dos entornos, dentro del modelo ΛCDM estándar y dentro de un modelo de energía oscura dinámica para probar los hallazgos de DESI.
El Dr. Philcox explicó cómo mantuvieron una alta precisión de los datos seleccionados. «Realmente intentamos elegir definiciones consistentes para las muestras de galaxias, descartando partes de los datos disponibles con errores accidentales en los criterios de selección, a expensas de nuestras limitaciones estadísticas, incluso cuando los análisis anteriores han utilizado estos datos».
«Además, realizamos muchas pruebas sobre las correlaciones cruzadas con el efecto de lente del CMB como parte de artículos anteriores para asegurarnos de que no hubiera ninguna sistemática obvia».
¿Un universo que crece demasiado lentamente?
El análisis ΛCDM reveló una tasa de crecimiento de las estructuras cósmicas ligeramente menor que la predicha, lo que muestra un desacuerdo significativo (tensión de 4,5σ) con los resultados de Planck.
Además, confirmó los valores existentes para la densidad de materia, la constante de Hubble y el crecimiento de la estructura.
En el análisis de la energía oscura dinámica, el equipo no encontró evidencia sólida de la energía oscura dinámica, lo que sugiere que la energía oscura se comporta como una constante cosmológica. La supresión del crecimiento de la estructura observada es similar a la predicha por el análisis ΛCDM.
Finalmente, el valor de la constante de Hubble se alinea con los datos de Planck, pero no con las mediciones locales directas.
El profesor Ivanov explicó: «Encontramos que la formación de la estructura en el universo tardío, donde los efectos de la energía oscura son más pronunciados, al menos según lo medido por las galaxias en el estudio BOSS, parece sustancialmente suprimida en comparación con las expectativas del universo temprano y el CMB».
«Esto es cierto incluso cuando permitimos que la historia de la expansión se desvíe de la forma constante cosmológica estándar de la energía oscura».
Nueva física o errores en los datos
Según el equipo, las probabilidades de que el crecimiento de la estructura suprimida sea una casualidad son de 1 en 300.000, lo que sugiere firmemente que algo inexplicable está sucediendo en forma de sistemática desconocida en los datos o nueva física.
Los hallazgos también proporcionan la evidencia más sólida hasta la fecha para la tensión σ8 y muestran que la energía oscura dinámica no puede resolverla.
Wenzl explicó: «Además de las nuevas técnicas de observación y pruebas sistemáticas mencionadas, si esta señal sobrevive, será interesante ver qué tipos de nueva física pueden ayudar a resolver la tensión con el CMB».
«Por ejemplo, sería genial si los candidatos a materia oscura no estándar, como la materia oscura axiónica o la materia oscura que interactúa consigo misma o con bariones de alguna manera, lo que alteraría la formación de la estructura, pueden explicar la señal».
Los hallazgos del estudio desafían nuestra comprensión de la formación de la estructura cósmica y, lo que es más importante, de uno de los modelos más fundamentales de la cosmología.
Los datos de los próximos estudios de galaxias aportarán claridad sobre estas discrepancias y si necesitamos un cambio fundamental en nuestra comprensión de las estructuras a gran escala del universo.
Con información de Physical Review Letters
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