Estudio revela que el Universo es anisotrópico a gran escala


Las observaciones de rayos X de cientos de cúmulos de galaxias sugieren que la arquitectura del Universo es diferente dependiendo de la dirección en la qué observan los astrónomos.

“Uno de los pilares de la cosmología es que el Universo es isotrópico, lo que significa que es lo mismo en todas las direcciones. Nuestro trabajo muestra que pueden haber grietas en ese pilar”, dijo el Dr. Konstantinos Migkas, astrónomo de la Universidad de Bonn.

En física, la isotropía es la característica de algunos cuerpos cuyas propiedades físicas no dependen de la dirección en que son examinadas. Es decir, se refiere al hecho de que ciertas magnitudes vectoriales conmensurables dan resultados idénticos independientemente de la dirección escogida para dicha medida. Cuando una determinada magnitud no presenta isotropía se dice que presenta anisotropía.

Los astrónomos generalmente están de acuerdo en que después del Big Bang, el cosmos se ha expandido continuamente.

Una analogía común es que esta expansión es como una "barra de pan de pasas" para hornear. A medida que el pan se hornea, las pasas (que representan objetos cósmicos como galaxias y cúmulos de galaxias) se alejan unas de otras a medida que se expande todo el pan (que representa el espacio).

Con una mezcla uniforme, la expansión debe ser uniforme en todas las direcciones, como debería ser con un universo isotrópico. Pero estos nuevos resultados pueden no ajustarse a esa imagen.

"Según nuestras observaciones de los conglomerados, es posible que hayamos encontrado diferencias en la rapidez con que el Universo se está expandiendo, dependiendo de la forma en que lo veamos", dijo el Dr. Gerrit Schellenberger, astrónomo del Centro de astrofísica Harvard-Smithsonian.

"Esto contradeciría uno de los supuestos subyacentes más básicos que utilizamos en cosmología hoy en día".

Los astrónomos han realizado previamente muchas pruebas de si el Universo es el mismo en todas las direcciones. Estos incluyeron el uso de observaciones ópticas de estrellas que estallaron y estudios en infrarrojos de galaxias.

Algunos de estos esfuerzos anteriores han producido posibles pruebas de que el Universo no es isotrópico, y otros estudios parecían mostrar todo lo contrario.

La prueba más reciente utiliza una técnica poderosa, novedosa e independiente. Aprovecha la relación entre la temperatura del gas caliente que impregna un cúmulo de galaxias y la cantidad de rayos X que produce, conocida como la "luminosidad de rayos X del cúmulo". Cuanto mayor es la temperatura del gas en un cúmulo, mayor es la luminosidad de los rayos X.

Una vez que se mide la temperatura del gas del cúmulo, se puede estimar la luminosidad de los rayos X. Este método es independiente de las cantidades cosmológicas, incluida la velocidad de expansión del Universo, lo cual es importante para obtener datos específicos.

Una vez que estimaron las luminosidades de rayos X de los cúmulos utilizando esta técnica, el Dr. Migkas, el Dr. Schellenberger y sus colegas de investigación calcularon las luminosidades utilizando un método diferente, que depende de las cantidades cosmológicas, incluida la velocidad de expansión del Universo.

Los astrónomos utilizaron una muestra basada en 313 cúmulos de galaxias para su análisis, que contenía 237 cúmulos observados por el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA con un total de 191 días de exposición, y 76 cúmulos observados por el observatorio espacial XMM-Newton de la ESA, con un total de 35 días de exposición.

También combinaron esta muestra de cúmulos de galaxias con otras dos grandes muestras de rayos X, utilizando datos del observatorio espacial XMM-Newton y el Satélite Avanzado en Cosmología y Astrofísica de Japón-US (ASCA), dando un total de 842 cúmulos de galaxias diferentes.

Los resultados dieron velocidades de expansión aparentes de toda a bóveda celeste, revelando que el Universo parece alejarse de nosotros más rápido en algunas direcciones que en otras.

También compararon sus hallazgos con estudios de otros grupos de investigadores, que, utilizando diferentes técnicas, han encontrado indicios de falta de isotropía en el Universo. Encontraron coincidencias en la dirección de la tasa de expansión más baja.

Crédito de la imagen: NASA / CXC / Universidad de Bonn / K. Migkas et al / M. Weiss.

Este mapa del cielo completo muestra cuatro de los cientos de cúmulos de galaxias que se analizaron para probar si el Universo es el mismo en todas las direcciones a gran escala.

¿Cómo puede ser posible esto?
Los científicos propusieron dos posibles explicaciones para sus resultados.

Una de estas explicaciones es que grandes grupos de cúmulos de galaxias podrían estar moviéndose juntos, pero no debido a la expansión cósmica. Por ejemplo, es posible que algunos cúmulos cercanos estén siendo arrastrados en la misma dirección por la gravedad de los grupos de otros cúmulos de galaxias. Si el movimiento es lo suficientemente rápido, podría dar lugar a errores en la estimación de las luminosidades de los cúmulos.

Este tipo de movimientos correlacionados darían la apariencia de que estamos observando diferentes tasas de expansión en diferentes direcciones del cosmos.

Los astrónomos han visto efectos similares con galaxias relativamente cercanas, a distancias típicamente menores de 850 millones de años luz, donde se sabe que la atracción gravitacional mutua controla el movimiento de los objetos astronómicos.

Sin embargo, los autores de estos estudios esperaban que la expansión del Universo dominara el movimiento de los cúmulos galácticos a través de grandes distancias, hasta los 5 mil millones de años luz analizados en este nuevo estudio.

Una segunda explicación posible es que el Universo no es realmente el mismo en todas las direcciones.

Una razón a este fenómeno podría ser que la energía oscura, la fuerza misteriosa que parece estar impulsando la expansión del Universo, en sí misma no es uniforme en todas las direcciones. En otras palabras, los rayos X pueden revelar que la energía oscura es más fuerte en algunas partes del Universo que en otras, causando las diferentes tasas de expansión observadas en estos estudios.

"Esto sería como si la levadura en el pan no se mezclara uniformemente, haciendo que se expanda más rápido en algunos lugares que en otros", dijo el Dr. Thomas Reiprich, astrónomo de la Universidad de Bonn.

"Sería notable si se descubriera que la energía oscura tiene diferentes fuerzas en diferentes partes del Universo. Sin embargo, se necesitaría mucha más evidencia para descartar otras explicaciones y presentar un caso convincente".

Cualquiera de estas dos explicaciones cosmológicas tendría consecuencias significativas. Muchos estudios en cosmología, incluidos los estudios de rayos X sobre los cúmulos de galaxias, suponen que el Universo es isotrópico y que los movimientos correlacionados son insignificantes en comparación con la expansión cósmica en las distancias sondeadas y estudiadas aquí.

Este artículo se basa en el texto proporcionado por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio.

Referencia del documento científico:
K. Migkas et al. 2020. Sondeo de la isotropía cósmica con una nueva muestra en rayos X de cúmulos de galaxias a través de la relación de escala LX-T. A&A, Volumen 636, Número de artículo A15; doi: 10.1051 / 0004-6361 / 201936602

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