Pueden las fluctuaciones cuánticas en el Universo primitivo mejorar la creación de masivos cúmulos de galaxias?        

Por Ingrid Fadelli, Phys.org

26 de abril de 2023.

Cúmulo de Pandora (Imagen NIRCam). Crédito: CIENCIA: NASA, ESA, CSA, Ivo Labbe (Swinburne), Rachel Bezanson (Universidad de Pittsburgh). Procesamiento de imágenes: Alyssa Pagan (STScI).

Los astrofísicos han estado tratando de comprender la formación de objetos y fenómenos cosmológicos en el Universo durante décadas. Estudios teóricos anteriores sugieren que las fluctuaciones cuánticas en el Universo primitivo, conocidas como difusión cuántica primordial, podrían haber dado lugar a los llamados agujeros negros primordiales.

En un artículo publicado en Physical Review Letters, investigadores del Instituto Niels Bohr, la Universidad Autónoma de Madrid y la Universidad CNRS de París exploraron recientemente la posibilidad de que estas fluctuaciones también puedan afectar la creación de estructuras cosmológicas aún más grandes, como cúmulos de galaxias pesadas como "El gordo". El Gordo es el cúmulo de galaxias distantes más grande jamás observado con los telescopios existentes, que se capturó por primera vez hace más de 10 años.

"La cuestión de cómo se formó la estructura en el Universo puede ser una de las más antiguas, pero desde principios de la década de 1980 ha ganado una nueva dimensión", dijo a Phys.org José María Ezquiaga, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "En ese momento, los científicos se dieron cuenta de la increíble conexión entre las escalas más pequeña y más grande, en la que las fluctuaciones cuánticas en el Universo muy primitivo se estiran por una inflación cósmica para sembrar la formación de galaxias y estructuras a gran escala en el Universo".

Después de que los físicos comenzaron a aprender más sobre las conexiones entre el Universo primitivo y tardío, comenzó a surgir la idea de que los agujeros negros podrían formarse en el Universo primitivo. En 2015, las primeras observaciones de fusiones de agujeros negros a través de ondas gravitacionales renovaron el interés en esta área, lo que generó nuevos estudios teóricos centrados en el origen primordial de los agujeros negros.

“Juan, Vincent y yo habíamos estado investigando la formación de agujeros negros primordiales en el Universo primitivo”, dijo Ezquiaga. "Nuestra contribución clave fue darnos cuenta de que cuando las fluctuaciones cuánticas dominan la dinámica de la inflación cósmica, esto conduce a un espectro de fluctuaciones de densidad que no es gaussiana, con fuertes colas exponenciales. En otras palabras, la difusión cuántica facilita la generación de grandes fluctuaciones, lo que hace que colapse en un agujero negro primordial".

Después de estudiar los agujeros negros primordiales en el Universo primitivo, Ezquiaga y sus colegas Vincent Vennin y Juan García-Bellido comenzaron a preguntarse si el mismo mecanismo que sustenta su formación, es decir, una cola no gaussiana mejorada en la distribución de las perturbaciones primordiales, también podría conducir a la formación de otras estructuras cosmológicas muy grandes. En su trabajo reciente, exploraron específicamente la posibilidad de que este mecanismo afecte el colapso de objetos más grandes, como los halos de materia oscura, que luego albergarán galaxias y grupos de galaxias.

"La formación de objetos más grandes al principio de la historia del Universo podría ayudar a aliviar algunas tensiones entre las observaciones y nuestro modelo cosmológico estándar", explicó Ezquiaga. "Por ejemplo, bajo supuestos estándar, los cúmulos masivos como El Gordo pueden parecer atípicos, mientras que la difusión cuántica los hace naturales".

Como parte de su estudio reciente, Ezquiaga y sus colegas calcularon la función de masa del halo y la abundancia de cúmulos como una función del corrimiento al rojo en presencia de colas exponenciales pesadas. Esto les permitió determinar si la difusión cuántica podría aumentar la cantidad de grandes cúmulos de galaxias, agotando los halos de materia oscura.

"Debido a que la gravedad siempre es atractiva, las faltas de homogeneidad solo crecerán a medida que las sobredensidades atraigan masa para su entorno y las densidades bajas se vuelvan más vacías", dijo Ezquiaga. "La pregunta es si las faltas de homogeneidad en el Universo primitivo son lo suficientemente grandes y frecuentes como para conducir al colapso gravitacional necesario para explicar las estructuras observadas en el cosmos. Dada una distribución inicial de perturbaciones, solo se necesita presionar 'reproducir' y dejar que el sistema evolucione gravitacionalmente. En nuestro caso, teníamos una comprensión previa de la distribución de perturbaciones iniciales al incluir la difusión cuántica, por lo que nuestro trabajo en este trabajo fue parametrizar de manera adecuada este espectro y analizar los resultados para el número de cúmulos masivos en función de corrimiento al rojo".

El artículo de los investigadores sugiere que las fluctuaciones cuánticas en el Universo primitivo podrían no solo ser la base de la formación de galaxias de tamaño medio y agujeros negros primordiales, sino también de cúmulos de galaxias masivos, como los fascinantes cúmulos de "El Gordo" y Pandora. Esto significaría que las observaciones actuales de los cúmulos de galaxias podrían explicarse utilizando las teorías existentes, sin necesidad de incorporar nueva física en el modelo estándar.

"El otro resultado muy emocionante de nuestro trabajo es que predice firmas únicas que podrían probarse en un futuro cercano", dijo Ezquiaga. "En particular, demostramos que la difusión cuántica no solo facilita la formación temprana de cúmulos pesados, sino que también la cantidad de subestructura debería ser menor de lo esperado".

La mejora simultánea de las estructuras cosmológicas masivas y el agotamiento de las subestructuras (es decir, los halos) no se predice mediante otros modelos teóricos. No obstante, esta posible explicación teórica para la formación de grandes cúmulos de galaxias parece estar alineada con observaciones cosmológicas recientes y también podría resolver otras deficiencias del modelo estándar.

En sus próximos estudios, Ezquiaga y sus colegas quisieran pintar una imagen más completa de las estructuras del Universo y su formación. En última instancia, esto también podría ayudar a probar completamente las predicciones de la difusión cuántica.

"Lo siguiente para nosotros es probar completamente las predicciones de este modelo contra las observaciones", agregó Ezquiaga. "Afortunadamente, hay muchas observaciones nuevas que podemos usar. En particular, las observaciones muy recientes del telescopio espacial James Webb parecen indicar que hay muchas más galaxias masivas con un alto desplazamiento al rojo, algo que naturalmente se alinea con nuestras predicciones, pero estamos esperando" que los astrónomos entiendan completamente su sistemática y confirmen esta población 'inesperada'. Las otras observaciones que podrían ser interesantes para nosotros son los recuentos de galaxias enanas con estudios de galaxias como el Estudio de Energía Oscura y restricciones en los subhalos de lentes fuertes".

Fuente:

https://phys.org/news/2023-04-quantum-fluctuations-early-universe-creation.html