¿Y si viviéramos en un universo asimétrico?

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Uno de los principios básicos de la cosmología moderna establece que, a escalas lo suficientemente grandes (miles de millones de años luz), el universo es isótropo; es decir, que presenta el mismo aspecto y comportamiento miremos en la dirección del cielo en la que miremos. Ello implica que, desde su nacimiento, ocurrido hace casi 14.000 millones de años, el cosmos se habría estado expandiendo al mismo ritmo en todas las direcciones del espacio.

Esa expectativa casa a la perfección con la suave uniformidad que exhibe el fondo cósmico de microondas, la radiación emitida poco después de la gran explosión. Ahora, sin embargo, un nuevo estudio sobre la distancia a la que se hallan varios cúmulos de galaxias parece indicar que algunos de ellos se encontrarían considerablemente más cerca o más lejos de lo que predice la hipótesis de un universo isótropo. El resultado podría constituir un indicio de que, contrariamente a lo que se pensaba hasta ahora, el universo estaría expandiéndose más rápido en unas direcciones y más despacio en otras.

La pista sobre esta potencial anisotropía cósmica llega de la mano de una colaboración internacional dirigida por Konstantinos Migkas, astrónomo de la Universidad de Bonn, y se basa en datos nuevos o de archivo sobre casi ochocinco0 cúmulos de galaxias estudiados por el observatorio espacial de rayos X Chandra, de la NASA; el satélite XMM-Newton, de la Agencia Espacial Europea; y el Satélite Avanzado de Cosmología y Astrofísica, de la Agencia Espacial de Japón.

El trabajo, publicado en Astronomy and Astrophysics, estima la distancia a cada cúmulo de galaxias a partir de su brillo. Al analizar la cantidad y el tipo de rayos X emitidos por el gas caliente y enrarecido que impregna estas estructuras cósmicas, los investigadores determinaron primero la temperatura del gas en cada una de ellas. Ese dato permite estimar la luminosidad en rayos X del cúmulo y, a partir de ahí, la distancia a la que se encuentra.

Después, los autores recalcularon la luminosidad de cada cúmulo mediante una técnica independiente y basada, en parte, en mediciones previas de la tasa de expansión del universo.

Al comparar ambos valores relativos a la luminosidad de cada cúmulo, los investigadores analizaron las posibles diferencias en la tasa de expansión del universo en distintas regiones del cielo. Ello reveló la existencia de dos zonas donde los cúmulos de galaxias parecían ser un treinta por ciento más brillantes o más tenues —y, por tanto, potencialmente más cercanos o lejanos— de lo esperado.

«Hemos localizado una región que parece estar expandiéndose más despacio que el resto del universo y otra que parece estar haciéndolo más rápido», explica Migkas. «Hay muchos estudios con supernovas ópticas y galaxias infrarrojas que han detectado anisotropías similares en las mismas direcciones. Y también otros muchos que, con datos similares, no muestran ninguna anisotropía. Así que la situación sigue siendo ambigua. No estamos diciendo que sepamos el origen de las anisotropías, solo que están ahí.»

Una asimetría «asombrosa y deprimente»

Un universo anisótropo sacudiría los pilares de la cosmología moderna y exigiría revisar de arriba abajo las ideas relativas a la evolución del universo. «Si [la expansión cósmica] resultara ser diferente en distintas direcciones, ello socavaría la suposición sobre la homogeneidad de la expansión del universo en regiones de espacio lo suficientemente grandes», señala Megan Donahue, astrónoma de la Universidad Estatal de Michigan que no participó en el estudio. Una expansión asimétrica sería «asombrosa y deprimente», añade la investigadora, pues implicaría que nuestra comprensión de la estructura y evolución del universo es profundamente incompleta, quizás de manera permanente.

Para explicar semejante fenómeno y reconciliarlo con la isotropía casi perfecta que muestra el fondo cósmico de microondas, una posibilidad sería recurrir a la energía oscura, el misterioso agente que hace que el universo se expanda cada vez más deprisa. Tal vez, en algún punto intermedio entre los eones transcurridos desde la gran explosión hasta los últimos miles de millones de años, los efectos de la energía oscura se intensificaron en algunas zonas del universo y dieron lugar a una expansión desproporcionada.

«Descubrir que la energía oscura actúa con intensidades diferentes en distintas zonas del cosmos constituiría un hallazgo más que notable», ha declarado Thomas Reiprich, investigador de la Universidad de Bonn y uno de los autores del nuevo trabajo. «No obstante, para defender algo así harán falta muchas más pruebas que permitan descartar otras explicaciones.»

Una explicación alternativa sería que el universo fuera perfectamente isótropo y que el comportamiento anómalo de los cúmulos de galaxias estudiados en el nuevo trabajo se deba al tirón gravitatorio ejercido sobre ellos por cúmulos aún mayores y más lejanos; algo así como lo que experimentaría un barco que se viera arrastrado por una corriente marina. No obstante, la mayoría de los cosmólogos no esperaban que ese «arrastre masivo» de estructuras cósmicas se produjera a las enormes escalas analizadas en el nuevo trabajo, las cuales ascienden a miles de millones de años luz.

«Podría muy bien tratarse de un efecto de arrastre masivo», reconoce Migkas. «Sin embargo, eso sería también muy importante, ya que la mayoría de los estudios pasan por alto dicho fenómeno. Todo efecto de arrastre masivo podría alterar profundamente cualquier otro resultado o medición que no tenga en cuenta tales movimientos.»

Puntos ciegos cósmicos

Por supuesto, la explicación más obvia sería que las aparentes asimetrías en el espaciamiento entre cúmulos se debiesen a fallos en los datos o en el análisis. Pero incluso dicha posibilidad podría obligar a los cosmólogos a revisar todo tipo de cálculos a fin de entender cómo es posible que ese tipo de errores acaben filtrándose en sus mejores estimaciones de las distancias cósmicas.

«Los trabajos que emplean los cúmulos de galaxias como sondas cósmicas vienen arrojando resultados disparatados desde hace ya un tiempo», apunta Adam Riess, premio nóbel de física y astrónomo de la Universidad Johns Hopkins que no forma parte del grupo de Migkas. Al respecto, Riess cita un trabajo reciente de la colaboración DES (Sondeo de la Energía Oscura) que ha puesto de relieve las incoherencias entre los análisis basados en cúmulos de galaxias y otras técnicas de medición. Tales inconsistencias sugieren que las correlaciones entre la temperatura asociada a los rayos X de un cúmulo y su luminosidad podrían no ser tan claras como creen los investigadores.

Riess enfatiza que, además, existen otros problemas relacionados con la estructura de la propia Vía Láctea; en concreto, con el disco de gas y polvo de la galaxia, el cual absorbe rayos X y empaña las observaciones en determinadas direcciones del cielo. Puede que no sea una coincidencia, dice Riess, que la región con mayores anisotropías identificada por Migkas y sus colaboradores bordee la zona en que el gas y el polvo de la Vía Láctea son más densos. «Están afirmando que la dirección en que el universo se comporta de manera extraña coincide con nuestro punto ciego. Eso es sospechoso», sostiene el investigador.

David Spergel, cosmólogo de la Universidad de Princeton y del Instituto Flatiron de Nueva York, también se muestra suspicaz sobre las mediciones basadas en cúmulos de galaxias, en parte porque dichos resultados entran en conflicto con los obtenidos mediante otras muchas técnicas. «Nos hallamos ante un trabajo de enorme importancia en caso de que sea cierto, pero que por otro lado tiene pocas probabilidades de serlo», sostiene.

«La posible anisotropía del universo ha sido puesta a prueba con técnicas mucho más precisas», como los estudios del fondo cósmico de microondas y de la estructura a gran escala del universo, continúa Spergel. «Dichas observaciones son más simples, más limpias y se han visto replicadas de múltiples maneras.» La existencia de anisotropías a las escalas indicadas por el nuevo trabajo conduciría a fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas mil veces mayores que las observadas.

Migkas y sus colaboradores argumentan que, para zanjar la cuestión a favor o en contra de una posible anisotropía cósmica, será necesario efectuar análisis más completos sobre la estructura a gran escala del universo. En estos momentos, los investigadores están analizando los mapas del fondo cósmico de microondas en busca de otros indicios de anisotropías en la distribución de cúmulos de galaxias, al tiempo que intentan validar sus mediciones en rayos X con observaciones complementarias en el infrarrojo.

En última instancia, los resultados definitivos podrían llegar de los nuevos telescopios espaciales, como el observatorio germano-ruso de rayos X eROSITA o la misión Euclides, de la Agencia Espacial Europea, los cuales llevarán a cabo estudios más amplios y detallados sobre la distribución de cúmulos de galaxias.

«En general, creemos que cada vez más gente debería estudiar la isotropía del universo por medio de nuevas técnicas, habida cuenta de la importancia que tiene [este postulado] en cosmología», opina Migkas. «Sería estupendo saber de una vez por todas si el universo tardío es isótropo o no.»

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