Al mapear las estructuras más grandes del universo, los cosmólogos han descubierto que una anomalía cósmica parece estar desapareciendo.

Un artículo de Liz Kruesi. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

Cúmulos de cientos o miles de galaxias se encuentran en las intersecciones de filamentos gigantes de materia que se entrecruzan y que forman el tapiz del cosmos. A medida que la gravedad atrae todo lo que hay en cada cúmulo de galaxias hacia su centro, el gas que llena el espacio entre las galaxias se comprime, lo que hace que se caliente y brille en rayos X.

El telescopio de rayos X eRosita, lanzado al espacio en 2019, pasó más de dos años recopilando rayos de luz de alta energía de todo el cielo. Los datos han permitido a los científicos mapear las ubicaciones y tamaños de miles de cúmulos de galaxias, dos tercios de ellos desconocidos hasta ahora. En una serie de artículos publicados en línea el 14 de febrero que aparecerán en la revista Astronomy & Astrophysics, los científicos usan su catálogo inicial de cúmulos para analizar varias de las grandes cuestiones de la cosmología.

Los resultados incluyen nuevas estimaciones de la heterogeneidad del cosmos –una característica muy discutida últimamente, ya que otras mediciones recientes han descubierto que es inesperadamente homogéneo- y de las masas de esas partículas fantasmales llamadas neutrinos y de una propiedad clave de la energía oscura, la misteriosa energía repulsiva que está acelerando la expansión del universo.

El modelo imperante del universo para los cosmólogos identifica la energía oscura como la energía del espacio mismo y la vincula al 70% del contenido del universo. Otra cuarta parte del universo es materia oscura invisible y el 5% es materia ordinaria y radiación. Todo ello evoluciona bajo la fuerza de la gravedad. Pero algunas observaciones de la última década desafían este “modelo estándar” de la cosmología, planteando la posibilidad de que al modelo le falten ingredientes o efectos que podrían dar paso a una comprensión más profunda.

Las observaciones de eRosita, por el contrario, refuerzan el cuadro existente en todos los aspectos. «Es una confirmación notable del modelo estándar», afirma Dragan Huterer, cosmólogo de la Universidad de Michigan que no ha participado en el trabajo.

Radiografiando el cosmos

Después del Big Bang, las sutiles variaciones de densidad en el universo recién nacido se volvieron gradualmente más pronunciadas a medida que las partículas de materia se pegaban unas a otras. Los grupos más densos atrajeron más material y se hicieron más grandes. Hoy en día, los cúmulos de galaxias son las estructuras unidas gravitacionalmente más grandes del cosmos. Determinar sus tamaños y distribución permite a los cosmólogos probar su modelo de cómo evolucionó el universo.

Para encontrar cúmulos el equipo de eRosita entrenó un algoritmo informático para buscar fuentes de rayos X «realmente esponjosas» en lugar de objetos puntuales, explica Esra Bulbul del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania, quien dirigió las observaciones de cúmulos de eRosita. Redujeron la lista de candidatos a una “muestra extremadamente pura”, continúa, de 5.259 cúmulos de galaxias, a partir de casi 1 millón de fuentes de rayos X detectadas por el telescopio.

Luego tuvieron que determinar lo pesados que eran son estos cúmulos. Los objetos masivos curvan la estructura del espacio-tiempo, cambiando la dirección de la luz que pasa y haciendo que la fuente de luz parezca distorsionada, un fenómeno llamado lente gravitacional. Los científicos de eRosita pudieron calcular las masas de algunos de sus 5.259 cúmulos basándose en el efecto lente sobre galaxias más distantes situadas detrás de ellos. Aunque solo un tercio de sus cúmulos tenían galaxias de fondo conocidas y alineadas de esta manera, los científicos descubrieron que la masa del cúmulo se correlacionaba fuertemente con el brillo de sus rayos X. Debido a esta fuerte correlación, podrían utilizar el brillo para estimar las masas de los cúmulos restantes.

Luego introdujeron la información de la masa en simulaciones por ordenador del cosmos en evolución para inferir los valores de los parámetros cósmicos.

Midiendo la grumosidad

Un número de interés es el “factor de grumosidad” del universo, S₈. Un valor S₈ de cero representaría una vasta nada cósmica, similar a una llanura sin ninguna roca a la vista. Un valor S₈ más cercano a 1 corresponde a montañas escarpadas que se ciernen sobre valles profundos. Los científicos han estimado el S₈ basándose en mediciones del fondo cósmico de microondas (FCM), una luz antigua procedente del universo primitivo. Al extrapolar las variaciones de densidad iniciales del cosmos, los investigadores esperan que el valor actual de S₈ sea 0,83.

Pero estudios recientes que analizan las galaxias actuales han medido valores entre un 8% y un 10% más bajos, lo que implica que el universo es inesperadamente homogéneo. Esa discrepancia ha intrigado a los cosmólogos, señalando potencialmente grietas en el modelo cosmológico estándar.

El equipo de eRosita, sin embargo, no encontró esta discrepancia. «Nuestro resultado estuvo básicamente en línea con la predicción del FCM desde el principio», afirma Vittorio Ghirardini, quien dirigió el análisis. Él y sus colegas calcularon un S₈ de 0,85.

Algunos miembros del equipo se sintieron decepcionados, dice Ghirardini, ya que apuntar a los ingredientes que faltan era una perspectiva más emocionante que coincidir con la teoría conocida.

El valor de S₈, que es un poco más alto que la estimación del FCM, probablemente desencadenará más análisis por parte de otros equipos, comenta Gerrit Schellenberger, un astrofísico que estudia los cúmulos de galaxias en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. «Creo que probablemente no es el último artículo que hemos visto sobre ese tema».

Pesando neutrinos

En el universo primitivo se formaron neutrinos abundantemente, casi tantos como fotones (partículas de luz), explica Marilena Loverde, cosmóloga de la Universidad de Washington. Pero los físicos saben que los neutrinos, a diferencia de los fotones, deben tener masas diminutas debido a cómo oscilan entre tres tipos. Las partículas no adquieren masa mediante el mismo mecanismo que otras partículas elementales, por lo que su masa es un misterio muy estudiado. Y la primera pregunta es qué masa tienen en realidad.

Los cosmólogos pueden estimar la masa de los neutrinos estudiando sus efectos sobre la estructura del cosmos. Los neutrinos se mueven casi a la velocidad de la luz y atraviesan otra materia en lugar de quedarse pegados a ella. De modo que su presencia en el cosmos ha atenuado su grumosidad. «Cuanto más masa se le pone a los neutrinos, más masa es homogénea a esas [grandes] escalas», afirma Loverde.

Combinando sus mediciones de cúmulos de galaxias con mediciones de FCM, el equipo de eRosita estimó que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos no supera los 0,11 electronvoltios (eV), o menos de una millonésima parte de la masa de un electrón. Otros experimentos con neutrinos han establecido un límite inferior, mostrando que las tres masas de neutrinos deben sumar al menos 0,06 eV (para un posible ordenamiento de los tres valores de masa) o 0,1 eV (para el ordenamiento inverso). A medida que la distancia entre los límites superior e inferior se reduce, los científicos se acercan más a determinar el valor de la masa del neutrino. «En realidad, estamos a punto de lograr un gran avance», indica Bulbul. En publicaciones de datos posteriores, el equipo de eRosita podría bajar el límite superior lo suficiente como para descartar los modelos de masa de neutrinos de orden inverso.

Es necesario ser precavido. Cualquier otra partícula rápida y ligera que pueda existir (como los axiones, partículas hipotéticas propuestas como candidatas a la materia oscura) tendría los mismos efectos en la formación de estructuras. E introducirían errores en la medición de la masa de los neutrinos.

Siguiendo la energía oscura

Las mediciones de los cúmulos de galaxias pueden revelar no solo cómo crecieron las estructuras, sino también cómo su crecimiento fue dificultado por la energía oscura: la fina capa de energía repulsiva que impregna el espacio, acelerando la expansión del espacio y separando así la materia.

Si la energía oscura es la energía del espacio mismo, como supone el modelo estándar de la cosmología, entonces tendrá una densidad constante en todo el espacio y el tiempo (por eso a veces se la denomina constante cosmológica). Pero si su densidad disminuye con el tiempo, entonces es algo completamente distinto. «Ésa es la pregunta más importante que plantea la cosmología», afirma Sebastian Grandis, miembro del equipo eRosita de la Universidad de Innsbruck, en Austria.

A partir de su mapa de miles de cúmulos, los investigadores descubrieron que la energía oscura coincide con el perfil de una constante cosmológica, aunque su medición tiene una incertidumbre del 10%, por lo que sigue siendo posible una densidad de energía oscura que varíe ligeramente.

Originalmente, eRosita, que se encuentra a bordo de una nave espacial rusa, debía realizar ocho estudios del cielo completo, pero en febrero de 2022, semanas después de que el telescopio comenzara su quinto estudio, Rusia invadió Ucrania. En respuesta, la parte alemana de la colaboración, que opera y dirige eRosita, puso el telescopio en modo seguro, cesando todas las observaciones científicas.

Estos artículos iniciales se basan únicamente en los datos de los primeros seis meses. El grupo alemán espera encontrar aproximadamente cuatro veces más cúmulos de galaxias en el año y medio adicional de observaciones, lo que permitirá identificar todos estos parámetros cosmológicos con mayor precisión. «La cosmología de cúmulos podría ser la sonda cosmológica más sensible además del FCM», apunta Anja von der Linden, astrofísica de la Universidad Stony Brook.

Sus resultados iniciales demuestran la potencia de una fuente de información relativamente sin explotar. “Somos una especie de chico nuevo en el barrio”, comenta Grandis.

El artículo original, Fresh X-Rays Reveal a Universe as Clumpy as Cosmology Predicts, se publicó el 4 de marzo de 2024 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López