La respuesta está en la nada: Testeando la gravedad con vacíos cósmicos

Título: Testing gravity using cosmic voids
Autores: Yan-Chuan Cai,  Nelson Padilla y Baojiu Li
Insitución del primer autor: Institute for Computational Cosmology, Department of Physics, University of Durham,

A eso del año 1998, dos importantes grupos de astrónomos, de manera independiente, reportaron evidencia que sustentaba la hipótesis de que el universo no sólo se estaba expandiendo, sino que además lo hacía de forma acelerada. Estos resultados estaban basados en mediciones de distancia con supernovas de tipo Ia. El hallazgo terminó valiéndole el Premio Nobel de Física 2011 a Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Rees.

Un universo con una expansión acelerada requirió la reconsideración de la famosa “constante cosmológica” que había sido introducida por Einstein hace ya muchos años, como un intento de explicar este fenómeno mediante la acción de una misteriosa “energía oscura” que actúa a gran escala en el cosmos. Este es uno de los pilares fundamentales en los que se basa el modelo cosmológico “Lambda Cold Dark Matter”, o ΛCDM, en donde se incluye una constante cosmológica (Λ) y materia oscura fría que interactúa sólo mediante gravedad (Cold Dark Matter).

Sin embargo, algunos autores han propuesto modelos alternativos que, en principio, también podrían explicar la expansión acelerada. Algunos de estos modelos incluso proponen modificar nuestra mejor teoría de la gravedad hasta el momento, la Relatividad General, para que así concuerde con las observaciones de aceleración cósmica. Tal es el caso de f(R), una familia de modelos de gravedad modificada que reemplaza el escalar de Ricci R en las ecuaciones de campo de Einstein, por una función algebraica de éste, denominada f(R). Uno de los sub-productos de esta modificación a la gravedad, es la creación de una “quinta-fuerza” que puede amplificar la magnitud de la fuerza gravitatoria bajo ciertas condiciones, como comentaremos más adelante.

Figura 1: La estructura a gran escala del universo está compuesta por “filamentos” que acumulan una gran densidad de materia mediante gravedad, siendo lugares en donde generalmente se forman y habitan las galaxias. La contraparte de los filamentos son los llamados “vacíos cósmicos” que en la figura se visualizan como regiones oscuras, que contienen una muy baja densidad de galaxias y materia.

El truco está en que, para adaptarse a los experimentos de mediciones de gravedad de nuestro sistema solar, algunos de estos modelos f(R) incorporan un llamado “mecanismo camaleón” que camufla cualquier diferencia de este modelo con la Relatividad General, en ambientes donde la densidad es suficientemente grande, como en nuestro sistema solar, o en cualquier lugar de nuestra galaxia. De esta manera, f(R) puede explicar la aceleración cósmica mediante una ligera modificación a la teoría de gravedad, la cual sólo debería ser perceptible en regiones donde la densidad es suficientemente baja.

¿Qué lugar en el universo podría tener una densidad tan baja como para detectar estas diferencias? La respuesta está en los vacíos cósmicos, enormes estructuras aproximadamente esféricas que se forman en el universo a gran escala, en donde la densidad de galaxias y materia es menor al 20% de la densidad media del universo, semejantes a burbujas rodeadas por los filamentos de la red cósmica (Figura 1).

En este trabajo, los autores realizaron simulaciones computacionales del universo, siguiendo distintas recetas: una simulación que evoluciona según a las reglas clásicas de la gravedad, y otras que evolucionan según distintos modelos f(R). Mediante algoritmos de identificación de estructuras, los autores encontraron una gran cantidad de vacíos cósmicos en todas las simulaciones, y estudiaron detalladamente sus abundancias, tamaños, perfiles de densidad, y dinámica. En el artículo se emplean dos formas de identificar vacíos en la simulación: se pueden utilizar las partículas de materia oscura como trazadores de la densidad, o bien se pueden utilizar directamente los halos de materia oscura, que están compuestos por miles de partículas individuales. La ventaja de este último método es que una detección mediante halos de materia oscura es mucho más similar a lo que se hace con las observaciones, que es identificar vacíos cósmicos según la distribución de galaxias.

Figura 2: Las abundancias de vacíos cósmicos, como función de radio o tamaño, para distintas simulaciones que evolucionaron con distintas recetas de gravedad. La etiqueta GR corresponde a Relatividad General, mientras que F4, F5 y F6 corresponden a distintos modelos f(R) de gravedad modificada. Los vacíos en este caso han sido identificados utilizando halos de materia oscura como trazadores. (Figura 5 del artículo original)

Los resultados que encontraron son promisorios: Cuando se utilizan las partículas de materia oscura como trazadores, los vacíos cósmicos son sistemáticamente más abundantes y grandes en tamaño en las simulaciones f(R) comparados a la simulación de Relatividad General. Esto se debe a la presencia de la anteriormente mencionada “quinta-fuerza” que tiende a empujar las paredes de los vacíos hacia afuera de forma radial, según estudios anteriores (Clampitt et al., 2013). Sin embargo, cuando se utilizan halos de materia oscura para la identificación, las abundancias son similares, e incluso ¡f(R) produce menos vacíos grandes que Relatividad General! La explicación es que f(R) amplifica la magnitud de la fuerza Newtoniana de gravedad en las regiones de baja densidad, lo que hace más eficiente la formación de halos. Esto hace que los vacíos cósmicos contengan muchos más halos, y no puedan crecer mucho en tamaño.

Además de los tamaños, los autores también detectan diferencias potencialmente observables en los perfiles de densidad, y la distribución de velocidades de las galaxias alrededor de estos vacíos cósmicos. Esto supone un escenario favorable para poder constreñir nuestra teoría de gravedad gracias al advenimiento de futuros surveys de gran escala, como el Large Scale Synoptic Survey (LSST) o el Square Kilometer Array (SKA). Un punto importante a mencionar, es que los autores sólo utilizaron partículas de materia oscura en su simulación, dejando de lado todos los efectos que la materia bariónica podría producir en estos resultados. Pero esa es otra historia por contar.…