Hagan sus apuestas: LCDM vs El Gordo

• Título: A massive blow for ΛCDM − the high redshift, mass, and collision velocity of the interacting galaxy cluster El Gordo contradicts concordance cosmology
• Autores: Elena Asencio, Indranil Banik, and Pavel Kroupa
• Institución del primer autor: Helmholtz-Institut für Strahlen und Kernphysik (HISKP), University of Bonn, Nussallee 14−16, D-53115 Bonn, Germany 
• Estado: Aceptado para publicación en MNRAS,  de acceso abierto en arXiv
• Astrobite original: Place your bets: LCDM vs. El Gordo por Sunayana Bhargava

El mejor entendimiento actual que tenemos de las propiedades de nuestro Universo puede ser resumido de forma sencilla por el modelo de Lambda-Cold-Dark-Matter (LCDM), donde Lambda representa la constante cosmológica y CDM, la materia oscura fría, por sus siglas en inglés. Este modelo es también conocido como el modelo de “concordancia cosmológica”.

Uno de los requerimientos claves de LCDM es que las estructuras se deberían formar jerárquicamente, es decir, las más pequeñas se forman primero y después se fusionan para formar otras más grandes. Debido a que los cúmulos de galaxias son los objetos gravitacionalmente colapsados más grandes del Universo, dentro del modelo de LCDM, estos deberían haberse formado de último. De hecho, podemos predecir el número de cúmulos en nuestro cosmos, ordenados de acuerdo a su masa y la distancia hacia nosotros (su corrimiento al rojo). Esta distribución se conoce bajo el nombre de función de masa de cúmulos. Encontrar un cúmulo de galaxias con una masa y a una distancia que se desvían significativamente de la función de masa estándar podría significar problemas para LCDM.

El Cúmulo Bala y ACT-CL J0102-4915 (mejor conocido como El Gordo*) son dos insurgentes claves en esta búsqueda por una explicación de las propiedades del Universo. Ambos son ejemplos extremos de cúmulos de galaxias formados a partir de dos sub-cúmulos en colisión a altas velocidades. El primero de estos sistemas fue notablemente aclamado como prueba empírica directa de la existencia de la materia oscura y fue descrito en este pasado Astrobito.

Mientras que las propiedades intrigantes del Cúmulo Bala han sido estudiadas en detalle, les autores del artículo que presentamos hoy argumentan que El Gordo es aún más peculiar.

Es el cúmulo de galaxias más masivo por encima de z ~ 0.6, pesando alrededor de (2-3) x 10¹⁵ masas solares (eso son de 2 a 3 mil billones de soles). La velocidad de caída de El Gordo, de aproximadamente 2500 km/s en el marco de referencia del flujo de Hubble, es muy alta comparada con el valor esperado basado en la materia gravitatoria de cada una de sus subestructuras por sí solas, sugiriendo que posiblemente un tercer objeto grande podría estar participando en el proceso de fusión (algo que sería una ocurrencia muy rara para las predicciones de LCDM). 

¿Un golpe de gracia?

Usando simulaciones, les autores sugieren que El Gordo se formó de una colisión asimétrica entre dos cúmulos, produciendo una masa total que está ampliamente de acuerdo con estimados previos basados en mediciones de lentes gravitacionales.

Les autores replican la formación de El Gordo usando pares de cúmulos de galaxias con diferentes masas, corrimientos al rojo, parámetros de impacto (la distancia a la cual una colisión se desvía de ser totalmente frontal) y diferentes velocidades de caída. Les investigadores logran reproducir una función de masa a partir de pares de cúmulos que cumplen las propiedades observadas de El Gordo (“análogos de El Gordo”), que, recordemos, está formado a partir de una pareja de cúmulos en colisión. Esta función de masa se muestra en la Figura 1. 

El Gordo es claramente un sistema atípico en funciones de masa simuladas dentro del modelo LCDM, para parejas de cúmulos, que se puede notar por el hecho de que la línea azul se cruza sólo con los extremos de las líneas naranja, roja y verde (¡donde el número de pares esperados es extremadamente pequeño!). Les autores validan estos hallazgos usando una técnica llamada “tomografía de conos de luz”. Esencialmente miden el número de pares de cúmulos a tres diferentes “tomas instantáneas” de corrimientos al rojo (tomografía) y luego extrapolan el número de pares esperados como función de tanto la masa como del corrimiento al rojo (el cono de luz). Este resultado se muestra en la Figura 2.

Les autores reconocen que a pesar de la rareza de este cúmulo, es importante notar que tales cúmulos anómalos sólo han sido observados en una fracción pequeña del cielo completo. Por lo tanto, a través de volúmenes de sondeos de galaxias más grandes, sistemas atípicos como El Gordo podrían ser menos prominentes, reduciendo la tensión con LCDM.

Sin embargo, les autores determinan que “el modelo LCDM debe ser rechazado con un nivel de confidencia de >5σ,  aún si no existen otros objetos problemáticos en el resto del cielo.” Continúan diciendo que satélites tales como Planck ya han encontrado aún más cúmulos que ponen en tela de juicio las predicciones de la cosmología de concordancia. Un ejemplo es PLCK G287.0+32.9, un sistema de cuatro cúmulos en fusión en el cual el más grande es 10 veces más masivo que los otros tres componentes.

¿O un regreso?

Curiosamente, les autores encuentran que bajo una modificación particular de la dinámica de Newton (dinámica newtoniana modificada, o MOND por sus siglas en inglés), cúmulos como El Gordo podrían no ser tan atípicos después de todo. Dentro de las teorías de MOND, es posible incrementar la formación de estructuras como El Gordo en comparación con LCDM, llevando a una existencia de estos sistemas a tiempos más tempranos, y por lo tanto, produciendo una mayor cantidad de ellos. El artículo que comentamos hoy encuentra que la masa de El Gordo puede ser reducida en un 50% si se calcula de acuerdo a MOND, aliviando aún más la tensión con la función de masa observada. No obstante, se requiere  un componente de materia oscura adicional para explicar el desajuste entre la masa visible y la masa total de El Gordo. Les autores hallan que repitiendo sus simulaciones bajo los supuestos de MOND e incluyendo un candidato no-CDM (materia oscura no fría), tal como el neutrino estéril, con una masa de ~11 eV, son capaces de reproducir aproximadamente una pareja como la de El Gordo en el volumen estudiado, haciendo coincidir las observaciones de esta forma. Les investigadores atestiguan la credibilidad de MOND, declarando que podría incluso resolver el enigma del parámetro de Hubble, pero reconocen que las propiedades de la materia oscura en el Cúmulo Bala son difíciles de desacreditar aún bajo estas modificaciones. 

El Gordo nos da una visión tentadora de los posibles fallos de nuestra comprensión del cosmos, sugiriendo que cosmologías no-convencionales podrían ser las grandes ganadoras de la lotería cósmica. Futuras observaciones de El Gordo y de sistemas similares al Cúmulo Bala podrían decirnos si, así como en las palabras de un conocido cantante, LCDM es sólo una tómbola después de todo.

*El nombre de El Gordo viene dado no sólo por su tamaño, sino también para reconocer la contribución chilena en el Telescopio Cosmológico de Atacama. También, muy en concordancia  con estas épocas, el Gordo es el nombre que se le da al premio mayor en muchas loterías navideñas de España y Latinoamérica.

Nota de traducción: al traducir cualquier texto, las traducciones literales no siempre capturan bien el significado de modismos y frases hechas. En casos como este, como traductores hacemos nuestro mejor esfuerzo para mantener el espíritu del artículo original, y no tanto el significado literal de las palabras. También intentamos proporcionar enlaces a conceptos en el idioma traducido en lugar de en el original, siempre que sea posible. De este modo queremos reconocer la naturaleza de nuestras traducciones como una colaboración entre les autores originales y les traductores.

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Este Astrobito es una publicación invitada, escrita por Santiago Casas.

Soy un investigador postdoctoral en el CEA de Paris-Saclay, originario de Costa Rica, pero con muchos años ya de vivir en Europa. Me intereso por las estructuras de gran escala, los sondeos de galaxias, la estadística bayesiana y teorías de gravedad modificada. Trabajo en la colaboración Euclid para tratar de entender la naturaleza de la Energía Oscura. Cuando no estoy haciendo cálculos en la computadora, me gusta viajar, probar nuevos restaurantes, jugar al fútbol y practicar la fotografía.