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ASTRONOMÍA. Un nuevo tipo de energía oscura podría resolver el misterio de la expansión del Universo

 

Los datos del Telescopio de Cosmología de Atacama sugieren la existencia de dos tipos de energía oscura al comienzo del Universo. Fuente: Giulio Ercolani / Alamy

Los indicios de una forma primordial previamente desconocida de la sustancia podrían explicar por qué el cosmos ahora parece expandirse más rápido de lo que predice la teoría.

Los cosmólogos han encontrado indicios de que un segundo tipo de energía oscura, la sustancia ubicua pero enigmática que está impulsando la expansión del Universo actual para que se acelere, podría haber existido en los primeros 300.000 años después del Big Bang.

Dos estudios separados, ambos publicados en el servidor de preimpresión arXiv en la última semana 1 , 2 , han detectado un primer rastro tentativo de esta 'energía oscura temprana' en los datos recopilados entre 2013 y 2016 por el Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT) en Chile. Si se confirman los hallazgos, podrían ayudar a resolver un enigma de larga data que rodea a los datos sobre el Universo temprano, que parecen ser incompatibles con la tasa de expansión cósmica medida hoy. Pero los datos son preliminares y no muestran definitivamente si realmente existió esta forma de energía oscura.

"Hay varias razones para tener cuidado de tomar esto como un descubrimiento de nueva física", dice Silvia Galli, cosmóloga del Instituto de Astrofísica de París.

Los autores de ambos preprints, uno publicado por el equipo de ACT y el otro por un grupo independiente, admiten que los datos aún no son lo suficientemente sólidos como para detectar la energía oscura temprana con mucha confianza. Pero dicen que más observaciones del ACT y otro observatorio, el Telescopio del Polo Sur en la Antártida, podrían proporcionar una prueba más estricta pronto. 

"Si esto es realmente cierto, si el Universo temprano realmente contó con energía oscura temprana, entonces deberíamos ver una señal fuerte", dice Colin Hill, coautor del artículo 1 del equipo de ACT, cosmólogo de la Universidad de Columbia en Nueva York. Ciudad de York.

Mapeo del CMB

Tanto el ACT como el Telescopio del Polo Sur están diseñados para mapear el fondo cósmico de microondas (CMB), radiación primordial que a veces se describe como el resplandor del Big Bang. El CMB es uno de los pilares de la comprensión del Universo por parte de los cosmólogos. Al mapear variaciones sutiles en el CMB a través del cielo, los investigadores han encontrado evidencia convincente para el 'modelo estándar de cosmología'. 

Este modelo describe la evolución de un Universo que contiene tres ingredientes principales: energía oscura; la igualmente misteriosa materia oscura, que es la causa principal de la formación de galaxias; y materia ordinaria, que representa menos del 5% de la masa y la energía totales del Universo.

La misión Planck de la Agencia Espacial Europea, que estuvo activa entre 2009 y 2013, proporcionó mapas actuales de CMB de última generación. Los cálculos basados ​​en los datos de Planck predicen, suponiendo que el modelo estándar de cosmología es correcto, exactamente qué tan rápido el Universo debería expandirse ahora. Pero durante la última década más o menos, las mediciones cada vez más precisas de esa expansión, basadas en observaciones de explosiones de supernovas y otras técnicas, han demostrado que es entre un 5% y un 10% más rápida 3 .

Los teóricos han sugerido una plétora de modificaciones al modelo estándar que podrían explicar esta diferencia. Hace dos años, el cosmólogo Marc Kamionkowski de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland, y sus colaboradores sugirieron un ingrediente adicional para el modelo estándar 4 . Su 'energía oscura temprana', que hizo más precisa una idea en la que ellos y otros equipos habían estado trabajando durante varios años, sería una especie de fluido que impregnó el Universo antes de desaparecer unos cientos de miles de años después del Big Bang. “No es un argumento convincente, pero es el único modelo que podemos poner a trabajar”, ​​dice Kamionkowski.

La energía oscura temprana no habría sido lo suficientemente fuerte como para causar una expansión acelerada, como lo está haciendo actualmente la energía oscura "ordinaria". Pero habría provocado que el plasma que emergió del Big Bang se enfriara más rápido de lo que lo habría hecho de otra manera. Esto afectaría la forma en que se deben interpretar los datos de CMB, especialmente cuando se trata de mediciones de la edad del Universo y su tasa de expansión que se basan en la distancia que las ondas sonoras pudieron viajar en el plasma antes de enfriarse y convertirse en gas. Planck y observatorios similares utilizan características que quedaron en el cielo después de esta transición para realizar dichos cálculos.

Los dos últimos estudios encuentran que el mapa de ACT de la polarización del CMB encaja mejor con un modelo que incluye energía oscura temprana que con el estándar. Interpretar el CMB sobre la base del modelo temprano de energía oscura y los datos de ACT significaría que el Universo tiene ahora 12.400 millones de años, aproximadamente un 11% más joven que los 13.800 millones de años calculados con el modelo estándar, dice Hill. En consecuencia, la expansión actual sería aproximadamente un 5% más rápida de lo que predice el modelo estándar, más cerca de lo que calculan los astrónomos hoy.

Quedan inconsistencias

Hill dice que anteriormente era escéptico sobre la energía oscura temprana y que los hallazgos de su equipo lo sorprendieron. Vivian Poulin, astrofísica de la Universidad de Montpellier en Francia y coautora del segundo estudio 2 basado en datos de ACT, dice que fue tranquilizador que el análisis de su equipo coincidiera con el del equipo de ACT. "Los autores principales son personas muy, muy duras y conservadoras, que realmente comprenden los datos y las mediciones", dice Kamionkowski.

Pero Galli advierte que los datos de ACT parecen ser inconsistentes con los cálculos del equipo de Planck, del cual ella formó parte. Y aunque los datos de polarización de ACT podrían favorecer la energía oscura temprana, no está claro si su otro conjunto importante de datos, su mapa de temperaturas de CMB, muestra tal preferencia. Por estas razones, agrega, será crucial verificar los resultados usando el Telescopio del Polo Sur, un experimento del que ella forma parte.

Wendy Freedman, astrónoma de la Universidad de Chicago en Illinois que ha contribuido a algunas de las mediciones más precisas de la expansión cósmica, dice que los resultados basados ​​en ACT son interesantes, aunque preliminares. “Es importante buscar modelos diferentes” y compararlos con el estándar, dice.

Nature: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-02531-5

Fuentes:

1. Hill, JC y col. Preimpresión en https://arxiv.org/abs/2109.04451 (2021).

2. Poulin, V., Smith, TL y Bartlett, A. Preprint en https://arxiv.org/abs/2109.06229 (2021).

3. Di Valentino, E. y col. Clase. Quantum Grav. 38 , 153001 (2021). https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ac086d

4. Poulin, V., Smith, TL, Karwal, T. y Kamionkowski, M. Phys. Rev. Lett. 122 , 221301 (2019). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.221301

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