Repensando la cosmología: la expansión del universo podría no ser uniforme.
Durante décadas, los astrónomos han asumido que el Universo se expande a la misma velocidad en todas direcciones. Sin embargo, un nuevo estudio, basado en datos de los observatorios de rayos X XMM-Newton de la ESA, Chandra de la NASA y ROSAT del Centro Aeroespacial Alemán (DLR), sugiere que esta premisa básica de la cosmología podría estar equivocada.
 |
| Un mapa de la tasa de expansión del Universo en diferentes direcciones a través del cielo, medido por el estudio actual. El mapa muestra todo el cielo en el sistema de coordenadas galácticas, con el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, ubicada en el centro del mapa, y el plano de la galaxia, donde residen la mayoría de sus estrellas, orientadas horizontalmente a través del mapa (tenga en cuenta que las estrellas de la Vía Láctea no se muestran en el mapa). La tasa de expansión del Universo, indicada en términos de la llamada constante de Hubble, se muestra en diferentes colores, con tonos morados que indican una tasa más lenta y tonos naranja / amarillo que indican una tasa más rápida. En un nuevo estudio basado en datos de ESA XMM-Newton, Chandra de la NASA y los observatorios de rayos X ROSAT dirigidos por Alemania, los astrónomos estimaron la tasa de expansión utilizando la temperatura de rayos X de cientos de cúmulos de galaxias en el cielo y compararon la temperatura con el brillo de los cúmulos. Si bien esperaban que los grupos de la misma temperatura y ubicados a una distancia similar parecieran igualmente brillantes, notaron que los grupos tendían a ser menos brillantes de lo esperado en una dirección del cielo que en todos los demás. La dirección en el cielo donde los cúmulos de galaxias parecían menos brillantes está representada por la región que se muestra en púrpura en este mapa. Si se confirma, el resultado podría desafiar la hipótesis de la isotropía, que supone que el Universo tiene las mismas propiedades en cada dirección a gran escala. Este efecto posiblemente desigual sobre la expansión cósmica podría ser causado por la misteriosa energía oscura. Satélite: XMM-Newton. Copyright: K. Migkas et al. 2020, CC BY-SA 3.0 IGO |
Konstantinos Migkas, investigador doctoral en astronomía y astrofísica de la Universidad de Bonn (Alemania), y su supervisor, Thomas Reiprich, querían verificar un nuevo método que permitiría a los astrónomos demostrar la llamada “hipótesis de isotropía”. Según este postulado, a pesar de ciertas diferencias locales, el universo tendría las mismas propiedades en cada dirección a gran escala.
Ampliamente aceptada como consecuencia de la física fundamental comúnmente aceptada, esta hipótesis se ha visto respaldada por observaciones de la radiación cósmica de fondo (CMB). Esta radiación, remanente directo del Big Bang, refleja el estado del universo en sus primeros tiempos, cuando apenas contaba con 380.000 años de antigüedad. La distribución uniforme de la CMB en el firmamento sugiere que, en aquellos primeros días, el universo debía de estar expandiéndose con rapidez y a la misma velocidad en todas direcciones.
No obstante, en el universo actual puede que esto ya no sea verdad.
“Junto a otros colegas de la Universidad de Bonn y de la Universidad de Harvard, observamos el comportamiento de más de 800 cúmulos galácticos en el universo actual —explica Konstantinos—. Si la hipótesis de isotropía fuera correcta, las propiedades de los cúmulos serían uniformes en todo el firmamento. En cambio, vimos diferencias significativas”.
Los astrónomos usaron mediciones de temperatura en rayos X del gas extremadamente caliente que impregna los cúmulos y compararon los datos con el brillo que mostraban en el firmamento. Los cúmulos con la misma temperatura y situados a distancia similar deberían tener un brillo parecido, pero eso no es lo que los astrónomos observaron.
“Vimos que los cúmulos con las mismas propiedades y temperaturas similares parecían menos brillantes de lo que esperaríamos en una dirección y más brillantes en la otra —señala Thomas—. La diferencia es significativa, de alrededor del 30 %. Y no se trata de diferencias al azar, sino que presentan un patrón claro dependiendo de la dirección en que observásemos el universo”.
Antes de cuestionar el modelo cosmológico, ampliamente asentado y que supone la base para calcular las distancias de los cúmulos, Konstantinos y sus colaboradores primero buscaron otras explicaciones posibles. Quizá podía tratarse de gas no detectado o de nubes de polvo que oscurecieran la visión e hicieran que los cúmulos en ciertas áreas pareciesen menos brillantes. Pero los datos no apoyaban tal posibilidad.
En ciertas regiones del espacio, la distribución de los cúmulos podría verse afectada por flujos masivos, movimientos a gran escala de materia provocados por la atracción gravitacional de estructuras extremadamente masivas, como podrían ser grandes grupos cumulares. Esta hipótesis, no obstante, también parece poco probable. Konstantinos añade que los hallazgos sorprendieron al equipo.
 |
| Se cree que los cúmulos de galaxias se distribuyen de manera bastante uniforme por el cielo. Crédito: ESA / XMM-Newton (rayos X); CFHT-LS (óptico); Encuesta XXL. |
“Si el universo realmente fuera anisotrópico, y aun cuando solo lo hubiera sido en los últimos miles de millones de años, implicaría un enorme cambio de paradigma, ya que tendría que considerarse la dirección de cada objeto cuando analizásemos sus propiedades —admite—. Por ejemplo, ahora mismo calculamos la distancia de objetos muy distantes en el universo aplicando un conjunto de parámetros y ecuaciones. Creemos que esos parámetros cosmológicos son iguales en todas partes. Pero si nuestras conclusiones fueran ciertas, ese no sería el caso y tendríamos que replantearnos todas las conclusiones anteriores”.
“Este resultado es verdaderamente fascinante —apunta Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton de la ESA—. Estudios anteriores sugerían que el universo actual no estaría expandiéndose de forma homogénea en todas las direcciones, pero este resultado, que constituye la primera vez que una prueba de este tipo se ha efectuado con cúmulos galácticos en rayos X, tiene una importancia mucho mayor y presenta un gran potencial para futuras investigaciones”.
Los científicos especulan que este efecto no homogéneo en la expansión cósmica podría deberse a la energía oscura, el misterioso componente del cosmos que conforma la mayoría (alrededor del 69 %) de la energía total. Se sabe muy poco de esta energía, solo que parece llevar los últimos miles de millones de años acelerando la expansión del universo.
Repensando la expansión del universo.
El próximo telescopio de la ESA, Euclid, diseñado para observar miles de millones de galaxias y estudiar la expansión del cosmos, su aceleración y la naturaleza de la energía oscura, podría ayudar a resolver este misterio en el futuro.
“Estos hallazgos son muy interesantes, pero la muestra incluida en el estudio sigue siendo relativamente pequeña como para extraer conclusiones de tal calado —advierte René Laureijs, científico del proyecto Euclid de la ESA—. Es lo mejor que podemos conseguir con los datos disponibles, pero si de verdad queremos replantearnos el modelo cosmológico aceptado, necesitamos muchos más”.
Y ahí es donde Euclid podría ayudarnos. La nave, que será lanzada en 2022, no solo buscará pruebas de que la energía oscura realmente está expandiendo el universo de forma no homogénea en distintas direcciones, sino que también permitirá a los científicos recopilar más datos sobre las propiedades de un gran número de cúmulos galácticos, lo que podría respaldar o contradecir estos hallazgos.
El instrumento de rayos X eROSITA, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, también nos proporcionará muy pronto nuevos datos. Montado a bordo del satélite alemán-ruso Spektr-RG, que fue lanzado recientemente, tiene como misión descubrir decenas de miles de cúmulos de galaxias y centros galácticos activos desconocidos hasta la fecha.
 |
| Las anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB) según lo observado por Planck. El CMB es una instantánea de la luz más antigua de nuestro Universo, impresa en el cielo cuando el Universo tenía solo 380 000 años. Muestra pequeñas fluctuaciones de temperatura que corresponden a regiones de densidades ligeramente diferentes, que representan las semillas de toda estructura futura: las estrellas y galaxias de hoy. Crédito: ESA y la colaboración de Planck. |
Más información.
El artículo “Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX−Tscaling relation”, de K. Migkas et al. (2020), está publicado en Astronomy & Astrophysics (DOI: 10.1051/0004-6361/201936602).
• Publicación en Chandra, enlace aquí.
Para más información, contactar con:
Konstantinos Migkas
Argelander Institute for Astronomy
University of Bonn, Germany
Email: kmigkas@astro.uni-bonn.de
Thomas Reiprich
Argelander Institute for Astronomy
University of Bonn, Germany
Email: reiprich@astro.uni-bonn.de
Norbert Schartel
XMM-Newton project scientist
European Space Agency
Email: Norbert.Schartel@esa.int
ESA Media Relations
Email: media@esa.int
• Publicado en ESA_España el 8 de abril del 2020, enlace publicación.
