Cúmulo de Pandora captado por el telescopio James Webb
Así se formaron las grandes estructuras en los primeros instantes de vida del universo
Se creía que la distribución estadística de las fluctuaciones cuánticas durante el periodo de inflación formaba una gráfica muy concreta, la campana de Gauss
Hasta el día de hoy la cuestión de cómo se formaron las grandes estructuras del universo, como galaxias o agujeros negros, es todo un misterio. Sin embargo, y a pesar de que hay claves aún no resueltas, en los años 80 los cosmólogos vieron que había un elemento clave en esta extraña formación, las fluctuaciones cuánticas.
Estos elementos de la física cuántica son cambios de energía en puntos concretos del espacio-tiempo que, de acuerdo con el modelo de inflación y según apunta la agencia Sinc, fueron determinantes para formar lo que se convertiría en los grumos de materia de nuestro universo. En este sentido, la inflación cósmica es una propuesta muy popular para explicar la rápida expansión del universo en sus instantes iniciales de vida.
De acuerdo a las investigaciones se creía que estas estructuras que observamos gracias a la ciencia en el universo necesariamente tendrían que haberse formado mucho más tarde de esa etapa. Sin embargo, la revista Physical Review Letters ha publicado un estudio que detalla la existencia de grandes estructuras muy antiguas, que datan de cuando el universo tenía solo de 200 a 400 millones de años y que «no se ajustan a las predicciones del modelo estándar de cosmología», asegura Sinc.
La clave para su formación, según detallan los autores y recoge la agencia, está en las fluctuaciones cuánticas durante la etapa de inflación porque son las que explican de forma detallada la existencia de observaciones «con un alto corrimiento al rojo» –un concepto que hace referencia a la antigüedad de los objetos astronómicos–, objetos «que no deberían estar ahí», formado pocos cientos de millones de años después de la formación del universo.
El Gordo, el cúmulo de galaxias distantes más grande jamás observado con los telescopios existentes, se descubrió en 2014. Este cúmulo constituye «un objeto muy masivo» que data de 6.400 millones de años después del Big Bang, algo que se habría formado «muy pronto y cuya existencia no se podía explicar con los modelos anteriores», explica Juan García-Bellido, coautor del estudio e investigador en el Instituto de Física Teórica (IFT, centro mixto de la Universidad Autónoma de Madrid y el CSIC).
Estos cúmulos de varias decenas de miles de galaxias no se podrían formar, en teoría, hasta mucho después. «Sorprendió encontrar objetos tan masivos tan pronto. Por tanto, era necesario encontrar una explicación», cuenta el físico.
Hace años, los autores –que también incluyen a José María Ezquiaga del Instituto Niels Bohr y Vicent Vennin de la Universidad de París– ya se dieron cuenta de que las fluctuaciones cuánticas durante la etapa de inflación afectaban a esta dinámica de aceleración del universo.
Antes de estudiar y de crear este nuevo trabajo, se creía que la distribución estadística de estas fluctuaciones cuánticas durante el periodo de inflación formaba una gráfica muy concreta, conocida como campana de Gauss. Pero los investigadores se dieron cuenta de que, aplicando ecuaciones que permiten mirar un poco más allá, lo que obtenemos en realidad es todo lo contrario, una distribución no gaussiana, que presenta una región de cola.
Esto indica que estas fluctuaciones podrían colapsar en grandes estructuras, galaxias, cúmulos o incluso estructuras mayores. Mientras que, con la hipótesis anterior estas estructuras «tardarían mucho más tiempo en formarse por colapso gravitacional», explica García-Bellido.
Es decir, con una función de tipo gaussiana, estas estructuras tardarían mucho más tiempo en formarse, por lo que estructuras tan grandes y tempranas como El Gordo no podían explicarse.
Aplicación en observaciones del James Webb
Según los autores, lo interesante de la nueva propuesta es que, gracias a estas colas no gaussianas exponenciales se puede dar explicación, por ejemplo, a las recientes observaciones del telescopio espacial James Webb.
Desde su lanzamiento a principios de 2022, este observatorio está realizando detecciones muy interesantes que ahora pueden ser explicadas a través de este nuevo resultado. Por ejemplo, galaxias con corrimientos al rojo muy altos.
Además, la formación de objetos más grandes de lo esperado a principios del universo, como explica este nuevo resultado, ayuda a aliviar algunas tensiones entre las observaciones y nuestro modelo cosmológico estándar.
Los investigadores usaron métodos computacionales para calcular la función, que modifica la evolución clásica. Mediante el uso de la llamada ecuación de Fokker-Planck, que tienen en cuenta esa dinámica de fluctuaciones cuánticas, se obtiene una función de tipo elíptico y lognormal, no de tipo gaussiano.
Esta nueva gráfica es la que da mayor probabilidad de colapso para agujeros negros primordiales, galaxias tempranas y para objetos muy masivos como el cúmulo de El Gordo.
«Era necesario tener en cuenta la información no lineal y abrir la mente», reconoce García-Bellido. «El nuevo resultado explica las no gausianidades de las estructuras a gran escala, que por fin estamos comenzando a medir con los catálogos de galaxias». En definitiva, estas fluctuaciones con cola no gaussiana nos ayudan a explicar el comportamiento a gran escala del universo.
En el futuro, los investigadores esperan continuar complementando el modelo cosmológico estándar teniendo en cuenta las observaciones de los telescopios de cielo profundo, y cuya formación podría corresponder a esta dinámica de fluctuaciones cuánticas en la etapa de inflación, como muestra el resultado.
El nuevo estudio, además, permite hacer una interesante reflexión desde el punto de vista de la historia de la ciencia. «Hace décadas, pasaban muchos años entre la teoría y la aplicación experimental. Por ejemplo, la Relatividad General no pudo aplicarse hasta los años 60, o el Higgs se descubrió casi medio siglo después de ser teorizado», explica, García-Bellido.
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