Logran explicar por qué se formaron objetos muy masivos en los primeros instantes del universo

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La cuestión de cómo se formaron las grandes estructuras del universo (galaxias, cúmulos, agujeros negros…) es una de las más antiguas en cosmología.

Sin embargo, a partir de los años 80, los cosmólogos se dieron cuenta de un elemento clave en este proceso: las fluctuaciones cuánticas.

Estas son cambios de energía en puntos concretos del espacio-tiempo que, de acuerdo con el modelo de la inflación cósmica, fueron determinantes para formar lo que se convertiría en los grumos de materia de nuestro universo.

La inflación cósmica es una propuesta muy aceptada para explicar la rápida expansión del universo en sus instantes iniciales de existencia.

Hasta hace poco, se creía que las grandes estructuras que hoy observamos en nuestro universo, como cúmulos galácticos con decenas de miles de galaxias, necesariamente tendrían que haberse formado mucho después, al menos después de las estructuras que se observan en el fondo cósmico de radiación de microondas, que se habría originado unos 379.000 años después del Big Bang, la “explosión” colosal con la que nació el universo.

Sin embargo, diversas observaciones con un alto corrimiento Doppler al rojo han demostrado la existencia de objetos “que no deberían estar ahí” según el modelo estándar de la cosmología, formados solo unos pocos cientos de millones de años después de la creación del universo, como el cúmulo de galaxias El Gordo o las galaxias masivas de la infancia del universo vistas por el telescopio espacial James Webb.

El Gordo, el cúmulo de galaxias distantes más grande que se ha observado hasta hoy, se descubrió en 2014.

“El Gordo constituye un objeto muy masivo que debió formarse muy pronto y cuya existencia no se podía explicar con los modelos anteriores”, explica Juan García-Bellido, coautor del nuevo estudio e investigador en el Instituto de Física Teórica (IFT), un centro mixto de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en España todas estas instituciones.

Estos cúmulos de varias decenas de miles de galaxias no se podrían formar, en teoría, hasta mucho después.

“Sorprendió encontrar objetos tan masivos tan pronto. Por tanto, era necesario encontrar una explicación”, cuenta el físico.

Hace años, los autores del nuevo estudio (Juan García-Bellido, José María Ezquiaga del Instituto Niels Bohr y Vicent Vennin de la Universidad de París) se dieron cuenta de que las fluctuaciones cuánticas durante la etapa de inflación afectaban a esta dinámica de aceleración del universo.

Antes del presente estudio, se creía que la distribución estadística de estas fluctuaciones cuánticas durante el periodo de la inflación cósmica formaba una gráfica muy concreta, conocida como campana de Gauss.

Pero los investigadores se dieron cuenta de que, aplicando ecuaciones que permiten mirar un poco más allá, lo que obtenemos en realidad es una distribución no gaussiana, que presenta una región ‘de cola’.

“Esto indica que estas fluctuaciones podrían colapsar en grandes estructuras, galaxias, cúmulos o incluso estructuras mayores.

Mientras que, con la hipótesis anterior, donde teníamos una función de tipo gaussiana, estas estructuras tardarían mucho más tiempo en formarse por colapso gravitacional”, explica en detalle Juan García-Bellido.

Es decir, con una función de tipo gaussiana, estas estructuras tardarían mucho más tiempo en formarse, por lo que estructuras tan grandes y tempranas como El Gordo no podrían explicarse.

Sin embargo, el resultado del nuevo estudio, que arroja funciones que presentan esta ‘cola’, explicaría la formación de grandes estructuras muy masivas muy pronto en la historia del universo, mucho antes de lo que se requeriría por colapso gravitacional.

En una entrevista concedida a Ingrid Fadelli para Phys.org, Ezquiaga explica cómo él y sus colegas García-Bellido y Vennin se dedicaron a estudiar la formación de agujeros negros primordiales en el universo primitivo:

“Nuestra contribución clave fue darnos cuenta de que cuando las fluctuaciones cuánticas dominan la dinámica de la inflación cósmica, esto conduce a un espectro de fluctuaciones de densidad que no es gaussiana, con fuertes colas exponenciales.

En otras palabras, la difusión cuántica facilita la generación de grandes fluctuaciones, colapsando en grandes estructuras, como un agujero negro primordial”.

Lo que nos dimos cuenta para este trabajo es que “el mismo mecanismo que lleva a la formación de agujeros negros primordiales, una cola no gaussiana mejorada en la distribución de perturbaciones primordiales, afectaría al colapso de objetos más grandes, como halos de materia oscura, que luego albergarán galaxias y grupos de galaxias”, explica en la entrevista.

Lo interesante de esta propuesta es que, gracias a estas colas no gaussianas exponenciales, los investigadores pueden dar una explicación, por ejemplo, a las recientes observaciones del telescopio espacial James Webb.

Desde su lanzamiento a principios de 2022, el James Webb está realizando detecciones muy interesantes que ahora pueden ser explicadas a través de este nuevo resultado.

Por ejemplo, galaxias con corrimientos al rojo muy altos.

El corrimiento al rojo o redshift es un concepto que hace referencia a la antigüedad de los objetos astronómicos.

Se define como un incremento en la longitud de onda de radiación electromagnética recibida por un detector comparado con la longitud de onda emitida por la fuente.

“Ahora sabemos que ya era posible generar agujeros negros masivos muy pronto, y que esto ayudó a generar las semillas de las primeras galaxias”, cuenta García-Bellido.

Además, la formación de objetos más grandes de lo esperado en la infancia del universo, como explica perfectamente este nuevo resultado, ayuda a aliviar algunas tensiones entre las observaciones y nuestro modelo cosmológico estándar.

Como explicó Ezquiaga: “Por ejemplo, bajo supuestos estándar, los cúmulos masivos como El Gordo pueden parecer atípicos, mientras que la difusión cuántica los hace naturales”.

Los investigadores usaron métodos computacionales para calcular la función, que modifica la evolución clásica.

Mediante el uso de la ecuación de Fokker-Planck, que tiene en cuenta esa dinámica de fluctuaciones cuánticas, se obtiene una función de tipo elíptico y lognormal, y no de tipo gaussiano.

Esta nueva gráfica es la que da mayor probabilidad de colapso para agujeros negros primordiales, galaxias tempranas y para objetos muy masivos como el cúmulo de El Gordo.

“Era necesario tener en cuenta la información no lineal y abrir la mente”, reconoce García-Bellido.

“El nuevo resultado explica las no gausianidades de las estructuras a gran escala, que por fin estamos comenzando a medir con los catálogos de galaxias”.

En definitiva, estas fluctuaciones con cola no gaussiana nos ayudan a explicar el comportamiento a gran escala del universo.

En el futuro, los investigadores esperan continuar complementando el modelo cosmológico estándar teniendo en cuenta las observaciones de los telescopios de cielo profundo, y cuya formación podría corresponder a esta dinámica de fluctuaciones cuánticas en la etapa de la inflación cósmica, como muestra el resultado.

El nuevo estudio, además, permite a Juan García-Bellido hacer una interesante reflexión desde el punto de vista de la historia de la ciencia:

“Hace décadas, pasaban muchos años entre la teoría y la aplicación experimental.

Por ejemplo, la Relatividad General no pudo aplicarse hasta los años 60, o la partícula de Higgs se descubrió casi medio siglo después de ser teorizada”, explica.

“Tengo la suerte de trabajar en una época en la que las observaciones experimentales y las predicciones teóricas pueden ir a la par, al menos, desde hace unos 20 años”, concluye.

Fuente: Physical Review Letters