Un nuevo estudio realizado por físicos del MIT sugiere que una fuerza misteriosa conocida como energía oscura primordial puede resolver dos de los mayores enigmas de la cosmología y llenar algunos vacíos importantes en nuestra comprensión de cómo evolucionó el universo primitivo.
Un enigma en cuestión es la “tensión de Hubble”, que se refiere a una discrepancia en las mediciones de la velocidad a la que se expande el universo. Otro incluye observaciones de numerosas galaxias brillantes y tempranas que existieron en una época en la que la población del universo primitivo debería haber sido mucho menor.
Ahora, el equipo del MIT ha descubierto que ambos enigmas pueden resolverse si el universo primitivo tuviera un componente transitorio adicional: la energía oscura primordial. La energía oscura es una forma desconocida de energía que los físicos sospechan que está impulsando la expansión del universo actual. La energía oscura temprana es un fenómeno hipotético similar que puede que solo tenga una breve aparición y afecte la expansión del universo en sus primeros momentos antes de desaparecer por completo.
Algunos físicos sospechan que la energía oscura primordial podría ser la clave para resolver la tensión de Hubble, porque la misteriosa fuerza podría acelerar la expansión temprana del universo hasta un punto que resolvería la discrepancia de medición.
Investigadores del MIT han descubierto ahora que la energía oscura primordial puede explicar el sorprendente número de galaxias brillantes que los astrónomos han observado en el universo primitivo. Su nuevo estudio informa Boletín mensual de la Real Sociedad Astronómica, El equipo modeló la formación de galaxias en los primeros cientos de millones de años del universo. Cuando incluyeron sólo esas primeras astillas de un componente de energía oscura, encontraron que el número de galaxias que emergían del entorno primordial coincidía con las observaciones de los astrónomos.
“Tenemos estos dos acertijos abiertos”, dijo el coautor del estudio Rohan Naidu, postdoctorado en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. “Encontramos que, de hecho, la energía oscura primordial es una solución muy elegante y poco común para ambos. Entre los problemas más importantes de la cosmología.”
Los coautores del estudio incluyen al autor principal y postdoctorado de Kavli, Juzian (Jacob) Shen, y al profesor de física del MIT, Mark Vogelsberger, junto con Michael Boylan-Colchin de la Universidad de Texas en Austin y Sandro Tacchella de la Universidad de Cambridge.
Luces de la gran ciudad
Según los modelos cosmológicos y de formación de galaxias estándar, las primeras galaxias del universo deberían haber tardado en girar. El gas primordial tardó miles de millones de años en fusionarse y formar galaxias tan grandes y brillantes como la Vía Láctea.
Pero en 2023, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA hizo una observación sorprendente. Con la capacidad de mirar más atrás en el tiempo que cualquier observatorio hasta la fecha, el telescopio descubrió un sorprendente número de galaxias tan masivas y brillantes como la Vía Láctea moderna en los primeros 500 millones de años, cuando el universo tenía sólo el 3 por ciento de su edad actual. .
“Las galaxias brillantes que vio JWST serían similares a ver grupos de luces alrededor de las grandes ciudades, mientras que la teoría predice algo así como luces alrededor de entornos más rurales como el Parque Nacional de Yellowstone”, dijo Shane. “Y no esperamos que la luz se acumule tan pronto”.
Para los físicos, las observaciones indican que hay algo fundamentalmente incorrecto en la física subyacente a los modelos, o que falta un elemento en el universo primitivo que los científicos no han tenido en cuenta. El equipo del MIT exploró la posibilidad de esto último y si el elemento faltante podría ser energía oscura primordial.
Los físicos han propuesto que la energía oscura primordial es un tipo de fuerza antigravitacional que sólo se activa en tiempos muy tempranos. Esta fuerza contrarrestaría la atracción de la gravedad hacia adentro y aceleraría la expansión temprana del universo, de una manera que resolvería la discrepancia en las mediciones. Por lo tanto, la energía oscura temprana se considera la solución más probable a la excitación del Hubble.
Esqueleto de galaxia
El equipo del MIT exploró si la energía oscura primordial podría ser la clave para explicar la inesperada población de galaxias grandes y brillantes detectadas por el JWST. En su nuevo estudio, los físicos consideraron cómo la primera energía oscura podría haber afectado la estructura temprana del universo que dio origen a las primeras galaxias. Se centraron en la formación de halos de materia oscura: regiones del espacio donde la gravedad es fuerte y donde la materia comienza a acumularse.
“Creemos que los halos de materia oscura son el esqueleto invisible del universo”, explica Shane. “Primero se forman estructuras de materia oscura y luego se forman galaxias dentro de estas estructuras. Por lo tanto, esperamos que el número de galaxias brillantes sea proporcional al número de grandes halos de materia oscura”.
El equipo desarrolló un marco empírico para la formación temprana de galaxias, que proporciona cierta medida de los “parámetros cosmológicos” que predicen el número, la luminosidad y el tamaño de las galaxias que deberían haberse formado en el universo temprano. Los parámetros cosmológicos son elementos fundamentales, o términos matemáticos, que describen la evolución del universo.
Los físicos han determinado que existen al menos seis parámetros cosmológicos principales, uno de los cuales es la constante de Hubble, un término que describe la tasa de expansión del universo. Otros parámetros describen las fluctuaciones de densidad en la sopa primordial inmediatamente después del Big Bang, a partir de la cual se forman halos de materia oscura.
El equipo del MIT razonó que si la energía oscura primordial afecta la tasa de expansión inicial del universo, de una manera que resuelve la excitación de Hubble, entonces puede afectar el equilibrio de otros parámetros cosmológicos, de una manera que aumenta el número de galaxias brillantes. Para probar su teoría desde el principio, incorporaron un modelo de energía oscura primordial (el mismo utilizado para resolver la tensión de Hubble) en un marco experimental de formación de galaxias para ver cómo evolucionaron las primeras estructuras de materia oscura y dieron lugar a las primeras galaxias.
“Lo que mostramos es que la estructura esquelética del universo temprano cambia de una manera sutil donde la amplitud de las fluctuaciones aumenta y se obtienen halos más grandes y galaxias más brillantes que en los modelos anteriores, más básicos que los que tenemos”, dijo Naidoo. “Esto significa que las cosas eran más abundantes y más agrupadas en el universo primitivo”.
“Inicialmente, no esperaba que la abundancia de galaxias brillantes tempranas del JWST tuviera algo que ver con la energía oscura temprana, pero su observación de que la EDE empuja los parámetros cosmológicos en una dirección que aumenta la abundancia de las galaxias tempranas es “interesante”, dijo Johns Hopkins. Mark de la Universidad: “Creo que es necesario hacer más trabajo para establecer un vínculo entre las galaxias tempranas y las EDE, pero independientemente de cómo resulten las cosas, es inteligente y, con suerte, en última instancia fructífero”, dijo Kamionkowski, profesor de física teórica. que no participó en la investigación: cosas para probar”.
“Hemos demostrado el potencial de la energía oscura primordial como una solución unificada a dos problemas importantes que enfrenta la cosmología. Esto podría ser una prueba de su existencia si los resultados de observación del JWST son más consistentes”, concluyó Vogelsberger. “En el futuro podremos incluir esto en grandes simulaciones cosmológicas para ver qué predicciones detalladas podemos obtener”.
Esta investigación fue apoyada en parte por la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias.