¿Podrían las fluctuaciones cuánticas en el universo primitivo impulsar la formación de cúmulos de galaxias masivos?

Los astrofísicos han estado tratando de comprender la composición de los objetos y fenómenos cósmicos en el universo durante décadas. Estudios teóricos previos sugieren que las fluctuaciones cuánticas en el universo primitivo, conocidas como dispersión cuántica primordial, podrían haber dado lugar a los llamados agujeros negros primordiales.

En un artículo publicado en Cartas de revisión físicaRecientemente, investigadores del Instituto Niels Bohr, la Universidad Autónoma de Madrid y la Universidad de París CNRS han explorado la posibilidad de que estas fluctuaciones también puedan influir en la formación de estructuras cósmicas 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 actuales, capturado por primera vez hace más de 10 años.

“La cuestión de cómo se forma la estructura en el universo puede ser una de las más antiguas, pero desde principios de la década de 1980 ha adquirido una nueva dimensión”, dijo a Phys.org José María Izquiaga, uno de los investigadores que realizó el estudio. . «Fue entonces cuando los científicos se dieron cuenta de la asombrosa relación entre las escalas más pequeña y más grande, en la que las fluctuaciones cuánticas en el universo primitivo se estiran por la 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 el campo, lo que provocó nuevos estudios teóricos centrados en el origen primordial de los agujeros negros.

«Juan, Vincent y yo estábamos investigando la formación de agujeros negros primordiales en el universo primitivo», dijo Izquiaga. «Nuestra contribución principal fue darnos cuenta de que cuando las fluctuaciones cuánticas dominan la dinámica de la inflación cosmológica, conducen a un espectro de fluctuaciones de intensidad no gaussianas, con fuertes colas exponenciales. En otras palabras, la propagación cuántica facilita la generación de grandes fluctuaciones que colapsarían. en un agujero negro primordial».

Después de estudiar los agujeros negros primordiales en el universo primitivo, Izquiaga y sus colegas Vincent Vennin y Juan García Pelido comenzaron a preguntarse si el mismo mecanismo subyacente a su formación, es decir, la cola no gaussiana mejorada en la distribución de la turbulencia primordial, también podría conducir a la formación de otras estructuras cósmicas muy grandes. En su último trabajo, exploraron específicamente la posibilidad de que este mecanismo afectara el colapso de objetos más grandes, como los halos de materia oscura, que luego albergarían galaxias y cúmulos de galaxias.

«La formación de objetos más grandes al principio de la historia del universo puede ayudar a mitigar algunas de las tensiones entre las observaciones y nuestro modelo cosmológico estándar», explicó Izquiaga. “Por ejemplo, bajo supuestos estándar, los cúmulos masivos como El Gordo podrían parecer externos, mientras que la dispersión cuántica los haría normales”.

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

«Dado que la gravedad siempre es atractiva», dijo Izquiaga, «la falta de homogeneidad solo crecerá porque más densidades atraerán masa a su entorno y se volverán más huecos bajo las densidades». «La pregunta es si las faltas de homogeneidad en el universo primitivo eran lo suficientemente grandes y frecuentes como para conducir al colapso gravitacional necesario para explicar las estructuras observadas en el universo. Dada la distribución inicial de perturbaciones, solo se necesita presionar ‘reproducir’ y permitir que el sistema evolucionar en términos de gravedad, en nuestro caso, tuvimos entendimiento previo a la distribución de perturbaciones elementales cuando se incluye la difusividad cuantitativa, por lo que nuestra tarea en este trabajo fue cuantificar este espectro de manera adecuada y analizar los resultados para el número de cúmulos masivos en función del corrimiento al rojo”.

El artículo de los investigadores sugiere que las fluctuaciones cuánticas en el universo primitivo pueden ser la base no solo de la formación de galaxias de mesoescala y agujeros negros primordiales, sino también de cúmulos de galaxias masivos, como los fantásticos cúmulos de «El Gordo» y Pandora. Esto significa que las observaciones existentes de cúmulos de galaxias pueden explicarse utilizando teorías existentes, sin necesidad de incorporar nueva física en el modelo estándar.

«Otro hallazgo muy emocionante de nuestro trabajo es que predice firmas únicas que podrían probarse en un futuro cercano», dijo Izquiaga. «En particular, mostramos que la difusión cuántica no solo facilita la formación temprana de cúmulos pesados, sino que también la cantidad de superestructura debería ser menor de lo esperado».

Otros modelos teóricos no predicen la mejora simultánea de las estructuras cósmicas masivas y el agotamiento de las subestructuras (es decir, los halos). Sin embargo, esta posible explicación teórica para la formación de grandes cúmulos de galaxias parece ser consistente con observaciones cosmológicas recientes y también podría resolver otras deficiencias del Modelo Estándar.

En sus próximos estudios, a Izquiaga y sus colegas les gustaría pintar una imagen más completa de las estructuras del universo y su composición. Eventualmente, esto también podría ayudar a investigar completamente las predicciones de la difusividad cuántica.

«Lo siguiente para nosotros es una prueba completa de las predicciones de este modelo contra las observaciones», agregó Izquiaga. «Afortunadamente, hay muchas observaciones nuevas que podemos usar. En particular, las observaciones muy recientes del Telescopio Espacial James Webb parecen indicar que hay muchas galaxias masivas con alto corrimiento al rojo, y algunas cosas son naturalmente consistentes con nuestras expectativas, pero estamos esperando ser entendido «. Los astrónomos son bastante sistemáticos y confirman este grupo «inesperado». Otras observaciones que pueden ser interesantes para nosotros son el número de galaxias enanas con encuestas de galaxias como la encuesta de energía oscura y las limitaciones de los subhalos de la poderosa lente».