Fórmula universal para los vacíos cósmicos

Una ecuación simple puede describir las grandes burbujas que aparecen en la materia oscura distribuida por todo el universo, y que se aplica a espacios vacíos de una amplia gama de tamaños y edades

La mayor parte de la materia en el universo se compone de la misteriosa materia oscura, y a los cosmólogos les gustaría entender mejor la forma en que ésta se organiza en el espacio. Escribiendo en la revista Physical Review Letters, un equipo presenta detalladas simulaciones de computadora de los grandes vacíos similares a burbujas que existen en la materia oscura. Ellos encontraron que el formato medio uniforme de los vacíos que fueron observados en estudios anteriores se extiende mucho más allá de sus regiones centrales y además que la uniformidad incluye huecos de una amplia gama de tamaños y edades. La fórmula universal de este equipo para el perfil de densidad de la materia oscura en los huecos se podría utilizar para explorar la naturaleza de la materia oscura y los neutrinos, y tal vez, incluso, para probar la exactitud de la teoría de la gravedad de Einstein.

Se sabe casi nada acerca de la materia oscura, salvo que, además de sus efectos gravitatorios, apenas interactúa con la materia ordinaria o la luz. Aún así, los investigadores todavía pueden llevar a cabo simulaciones por ordenador para ver cómo se distribuye la materia oscura.

Simulaciones anteriores han demostrado que una materia oscura «gaseosa» uniforme colapsa bajo su propia gravedad en una maraña de hojas y filamentos que se impregna de huecos relativamente vacíos [ 1 , 2 ]. De hecho, en estas simulaciones los huecos constituyen la mayor parte del volumen del universo, con delgadas «paredes» de materia oscura que separan un vacío de otro. Estas formaciones de materia oscura parecen haber sembrado el crecimiento de las estrellas y galaxias, dando lugar a la estructura a gran escala del universo visible.

Nico Hamaus del Instituto de Astrofísica de París y sus compañeros de trabajo ya han llevado a cabo simulaciones que prueban los perfiles de densidad de los huecos de materia oscura en más detalle que los estudios anteriores. Sus simulaciones contenían más de ocho mil millones de partículas de materia oscura. Se omitió la materia ordinaria, ya que hay tan poco de ella en comparación con la materia oscura, pero sí incluyeron la energía oscura, que influye en la expansión continua del espacio.

Al igual que en los estudios previos, la materia oscura se agrupa y crea huecos que tienen una amplia gama de formas y tamaños. Otros han encontrado que las regiones centrales de estos vacíos tienen un perfil universal de densidad de la materia oscura que es esféricamente simétrica cuando se promedia sobre todos los huecos, y que se eleva suavemente desde el centro. Pero Hamaus y sus colegas fueron más allá. Ellos encontraron que el perfil universal continúa a un máximo de densidad en las paredes que separan los huecos y luego disminuye de nuevo cuando se entra en el siguiente vacío. El equipo también encontró que esta simple forma se ajusta a los huecos de todos los tamaños y se pueden adaptar a los huecos de diferentes épocas de la historia cósmica.

Lo que es más, el equipo encontró que el perfil puede ser puesto empíricamente en una fórmula bastante simple que contiene sólo dos parámetros. En un documento complementario [ 3 ], el equipo muestra que una simulación de la distribución de galaxias produce esencialmente la misma especie de perfil de vacío, a pesar de que las galaxias no siguen a la materia oscura a la perfección.

Cuando mejoren los datos de observación, debería ser posible hacer precisas comparaciones con la distribución de galaxias observada por los astrónomos y buscar discrepancias, dice Hamaus. «Las diferencias pueden señalar las inconsistencias en nuestras suposiciones sobre la materia oscura o la energía oscura, o la gravedad», explicó. Por ejemplo, el equipo asumió que la materia oscura es «fría»: las partículas se mueven lentamente en comparación con la velocidad de la luz. Pero si la materia oscura es más cálida, con más energía, Hamaus dice que serán diferentes el perfil de densidad y otras propiedades de los huecos. La presencia de hipotéticos tipos masivos de neutrinos también tendría efectos mensurables sobre la estructura del vacío.

 

 

Los resultados ofrecen «una manera de sondear la cosmología y la gravedad modificada», según el cosmólogo Joseph Silk, de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore. Esto último, dice Seda, es especialmente intrigante. «Mientras que la teoría de la gravitación de Einstein funciona bien en las regiones más densas del Universo, del Sistema Solar a los cúmulos de galaxias, muchos argumentan que algo falta en las escalas muy grandes», dice. «Los huecos, y en especial los super-vacíos, son grandes regiones donde la gravedad modificada puede conducir a diferencias medibles de la teoría de Einstein.»

Referencias

J. M. Colberg, R. K. Sheth, A. Diaferio, Liang Gao, and Naoki Yoshida, “Voids in a λCDM Universe”, Mon. Not. R. Astron. Soc. 360, 216 (2005).
E. Ricciardelli, V. Quilis, and S. Planelles, “The Structure of Cosmic Voids in a λCDM Universe”, Mon. Not. R. Astron. Soc. 434, 1192 (2013).
P. M. Sutter, G. Lavaux, N. Hamaus, B. D. Wandelt, D. H. Weinberg, and M. S. Warren, “Sparse Sampling, Galaxy Bias, and Voids”, Mon. Not. R. Astron. Soc. 442, 462 (2014).

Fuente: Physorg. Aportado por Eduardo J. Carletti

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