Un nuevo estudio realizado por físicos del MIT sugiere que una fuerza misteriosa conocida como energía oscura primordial podría resolver dos de los mayores enigmas de la cosmología y llenar algunos vacíos importantes en nuestra comprensión de la evolución del universo primitivo.
Uno de los enigmas en cuestión es la “tensión de Hubble”, que se refiere a la velocidad con la que se expande el universo. El otro incluye observaciones de numerosas galaxias brillantes y tempranas que existieron en una época en la que el universo primitivo debería haber estado escasamente poblado.
Ahora, el equipo del MIT ha descubierto que ambos enigmas podrían 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 causando la expansión del universo actual. La energía oscura primordial es un fenómeno hipotético similar que puede haber tenido solo una breve aparición, influyendo en la expansión del universo en sus primeros momentos antes de desaparecer por completo.
Algunos físicos han sospechado que la energía oscura primordial puede ser la clave para resolver la tensión de Hubble, ya que la misteriosa fuerza podría acelerar la expansión temprana del universo en una cantidad que superaría la inconsistencia de las mediciones.
Los investigadores del MIT descubren ahora que la energía oscura primordial también puede explicar el sorprendente número de galaxias brillantes que los astrónomos han observado en el universo primitivo. En su nuevo estudio, el informe Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, El equipo modeló la formación de galaxias en los primeros cientos de millones de años del universo. Cuando añadieron un componente de energía oscura sólo en esta época temprana, encontraron que el número de galaxias nacidas de la atmósfera primitiva coincidía con lo que los astrónomos habían observado.
“Tienes estos dos acertijos abiertos, dice el coautor del estudio Rohan Naidu, postdoctorado en el Instituto Kawli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. “Problemas más importantes de la cosmología”.
Los coautores del estudio incluyen al autor principal y postdoctorado de Kawli, Zojian (Jacob) Shen, y al profesor de física del MIT Mark Vogelsberger, Michael Boylan-Colchan de la Universidad de Texas en Austin y Sandro Tequila de la Universidad de Cambridge.
Luces de la gran ciudad
Según los modelos cosmológicos y de formación de galaxias estándar, el universo debería haberse tomado su tiempo para hacer girar las primeras galaxias. En galaxias tan grandes y brillantes como la Vía Láctea, el gas primordial habría tardado miles de millones de años en fusionarse.
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 reveló una asombrosa cantidad de galaxias brillantes tan grandes 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. era
“Las galaxias brillantes vistas por JWST serían similares a ver grupos de luces alrededor de las principales ciudades, mientras que la teoría predice algo así como luces alrededor de entornos más rurales como el Parque Nacional de Yellowstone”, dice Shane. “Y no esperamos este grupo de luz tan pronto”.
Para los físicos, las observaciones indican que hay algo fundamentalmente incorrecto en la física subyacente a los modelos o que falta un componente en el universo primitivo que los científicos no han tenido en cuenta. El equipo del MIT exploró esta última posibilidad y si el ingrediente faltante podría ser energía oscura primordial.
Los físicos han propuesto que la energía oscura primordial es un tipo de fuerza gravitacional que sólo se activa en los primeros tiempos. Esta fuerza contrarrestaría la atracción de la gravedad hacia adentro y aceleraría la expansión temprana del universo, eliminando así la inconsistencia en las mediciones. Por lo tanto, la energía oscura primordial se considera la solución más probable al estrés de Hubble.
El esqueleto de la galaxia
El equipo del MIT exploró si la energía oscura primordial también podría ser la clave para explicar la inesperada población de galaxias grandes y brillantes descubiertas por JWST. En su nueva investigación, los físicos consideran cómo la energía oscura primordial pudo 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 más fuerte y donde la materia comienza a acumularse.
“Creemos que los halos de materia oscura son el esqueleto oculto del universo”, explica Schein. “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 halos masivos de materia oscura”.
El equipo desarrolló un marco empírico para la formación temprana de galaxias, que predice el número, la luminosidad y el tamaño de las galaxias en el universo temprano, dadas ciertas medidas de “parámetros cosmológicos”. Los parámetros cosmológicos son los componentes fundamentales, o términos matemáticos, que describen la evolución del universo.
Los físicos han determinado que existen al menos seis parámetros cosmológicos importantes, 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, poco después del Big Bang, que formaron los halos de materia oscura.
El equipo del MIT razonó que si la energía oscura primordial afecta la tasa de expansión temprana del universo, de una manera que resuelva la tensión de Hubble, puede afectar el equilibrio de otros parámetros cosmológicos, lo que muestra cómo puede aumentar el número de galaxias brillantes que se producen. en las primeras horas. Para probar su teoría, incorporaron un modelo de energía oscura primordial (el mismo utilizado para resolver el estrés de Hubble) en un marco de formación de galaxias experimental para ver cómo se formó y dio origen la materia oscura.
“Lo que mostramos es que la estructura esquelética del universo primitivo cambia de una manera sutil en la que la amplitud de las fluctuaciones aumenta y se obtienen halos más grandes y galaxias más brillantes que en épocas anteriores. nuestros modelos más básicos”, dice Naidu. “Esto significa que las cosas eran más abundantes y más agrupadas en el universo primitivo”.
“Anteriormente, 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 EDE empuja los parámetros cosmológicos en una dirección que aumenta la abundancia de galaxias tempranas es interesante”, dice Mark. Kaminowski, profesor de física teórica en la Universidad Johns Hopkins, que no participó en el estudio. “Creo que será necesario trabajar más para establecer la conexión entre las galaxias primitivas y la EDE, pero independientemente de cómo resulten las cosas, es un esfuerzo inteligente y, con suerte, finalmente fructífero. Es la cuestión”.
“Demostramos 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 se vuelven más sólidos”, concluyó Vogelsberger. “En el futuro podremos añadirlo a simulaciones cósmicas más grandes para ver qué predicciones detalladas podemos obtener”.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias.
