En Physical Review Letters, Shaun Thomas y sus colegas de la University College de Londres analizan las mediciones de la densidad de galaxias en las mayores escalas espaciales hasta ahora(miles de millones de años luz) y encuentran que el universo es menos homogéneo de lo esperado [ver aquí ]. Si esto se mantiene, este resultado tendrá importantes implicaciones para nuestra comprensión de la materia oscura, la energía oscura, y quizás la gravedad en si misma.
En el actual modelo cosmológico estándar, la densidad media masa-energía del universo observable se compone de 5% demateria normal (la mayoría de la cual es hidrógeno y helio), 23% de materia oscura, y 72% de energía oscura. La energía oscura se supone que es uniforme, pero la materia normal y oscura no lo son. El equilibrio entre la materia y la energía oscura determina a su vez cómo el universo se expande y cómo las regiones de inusualmente alta o baja densidad de materia evolucionan con el tiempo.
El mismo modelo cosmológico predice las estadísticas de la estructura no uniforme y su dependencia de la escala espacial. En las escalas que son pequeñas para los estándares cosmológicos, las fluctuaciones en la densidad de materia son comparables a su media, de acuerdo con lo que se ve: la materia se agrupa en galaxias, cúmulos de galaxias, y filamentos de la “web cósmica”.En las escalas mayores, sin embargo, el contraste de las estructuras en comparación a la densidad media disminuye. En las mayores escalas cosmológicas, estas fluctuaciones de densidad son pequeñas en amplitud en comparación con la densidad media del universo y así están bien descritas por la teoría de perturbaciones lineales (ver resultados de la simulación en la figura abajo).Por otra parte, estas perturbaciones pueden ser calibradas en los primeros tiempos, directamente en elfondo de microondas cósmico (CMB), una instantánea del universo cuando tenía sólo 380, 000 años de edad. A pesar de que sólo el 5% del Universo es bien entendido, este modelo está excelentemente ajustado a los datos que abarcan una amplia gama de escalas espaciales de como las fluctuaciones evolucionaron desde la época del CMB a la edad actual del universo, de unos 13. 8 mil millones de años. En las escalas más grandes, la energía oscura conduce la expansión acelerada del universo. Debido a que este aspecto del modelo estándar es menos comprendido, es importante probarlo en estas escalas.
las simulaciones basadas en el modelo cosmológico estándar como la mostrada en la imágen indican que sobre las más grandes escalas las galaxias deberían estar uniformemente distribuidas,pero las observaciones muestran una distribución más agrupada de lo esperado.La longitud de la barra en la imágen representa 2.3 mil millones de años luz.Crédito.Courtesy of Volker Springel/Max-Planck-Institute for Astrophysics, Garching, Germany.
Shaun Thomas utiliza catálogos públicos del Sloan Digital Sky Survey para seleccionar a más de 700, 000 galaxias cuyos colores observados indican un desplazamiento al rojo significativo y por lo tanto se suponen a grandes distancias cosmológicas.Ellos usan el corrimiento al rojo de las galaxias, junto con sus posiciones observadas en el cielo, para crear un mapa aproximado de tres dimensiones de las galaxias en el espacio y para evaluar la homogeneidad en las escalas de un par de miles de millones de años luz.Una complicación es que Thomas mide la densidad de las galaxias no la densidad de toda la materia, pero se espera que las fluctuaciones de estas dos densidades alrededor de su media sean proporcionales la constante de proporcionalidad se puede calibrar por medio de observaciones en escalas más pequeñas. En efecto, a pequeña escala los datos de galaxia están en buen acuerdo con el modelo estándar. En las escalas más grandes, las fluctuaciones en la densidad de galaxias se espera que sean del orden del uno por ciento de la densidad media, pero Thomas encuentra fluctuaciones el doble de lo predicho. Este resultado sugiere entonces que el universo es menos homogéneo de lo esperado.
Este resultado no es del todo nuevo: estudios previos basados en subconjuntos de los datos estudiados por Thomas mostraron el mismo efecto, aunque con menor significación estadística [ver aquí y aquí y aquí]. Además, hay otras maneras de sondear la distribución de masa a gran escala. Por ejemplo, inhomogeneidades en la distribución de la masa llevan a inhomogeneidades en la tasa de expansión local. Algunos estudios han sugerido que, en muy grandes escalas, esta expansión también es menos homogénea que las predicciones del modelo [ ver aquí ,aquí y aquí].
Otra manera de probar la distribución de masa es el llamado efecto integrado Sachs-Wolfe. Los fotones del CMB que viajan hacia nosotros a través de una región de más alta densidad de masa adquieren un corrimiento hacia el azul gravitacional, cuando ellos caen dentro de la región, y un corrimiento al rojo a medida que surgen. Si la profundidad del posible pozo cambia durante el tránsito de los fotones, estos dos efectos no se cancelarán y los fotones adquirirán un cambio de frecuencia neto. Un estudio reciente [ ver aquí ] ha encontrado una señal de exceso, de nuevo sugiriéndo que el universo puede ser menos uniforme de lo esperado a muy grandes escalas.
Si se confirma la falta de homogeneidad, las consecuencias para el modelo estándar serían graves, y podría implicar una reconsideración de la naturaleza de la materia oscura y energía oscura, o incluso de la aplicabilidad de la relatividad general a escalas cosmológicas. Sin embargo, dado el éxito rotundo del modelo estándar hasta la fecha, deberíamos tener dudas antes de descartarlo, y en su lugar considerar explicaciones alternativas.
Las mediciones de la agrupaciones de galaxias son un reto debido a que la señal ( uno por ciento de nivel de fluctuación), es pequeña, de modo que los efectos sistemáticos deben ser muy bien controlados. En particular, la luz de las galaxias distantes pasa a través de nuestra galaxia, la Vía Láctea en el camino hacia el telescopio. Las nubes de polvo en las partes exteriores de la Vía Láctea pueden absorber o dispersar la luz de las galaxias distantes, por lo que algunas de ellas aparecen demasiado tenues para ser medidas. Estos efectos son conocidos, pero no se pueden calibrar perfectamente, las estrellas débiles en las afueras de la Vía Láctea tienen dos efectos sutiles en los datos: pueden ser confundidas con las galaxias distantes, o su presencia puede ocultar la existencia de galaxias distantes que se encuentran en la cercanía en el cielo. Si cualquiera de estos efectos varía a través del cielo, la variación podría ser confundida con una variación en la distribución intrínseca de las galaxias de fondo. Aunque Shaun Thomas examinó algunos de estos temas, un borrador reciente [ ver aquí ] afirma que este efecto de "ocultación" de las estrellas ha contaminado de manera importante sus resultados.
Futuros estudios en grandes escalas [ ver aquí ,aquí y aquí] producirán una avalancha de datos. Estos estudios permitirán que los métodos empleados por Thomas y otros,sean extendidos a mayores escalas aún. Por supuesto, el reto para estos futuros estudios será el de corregir los efectos sistemáticos para una precisión aún mayor.
artículo del astrofísico Michael J. Hudson para Physics.aps.
leer estudio de Shaun Thomas AQUÍ
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v4/47
