Año 22 Número 87 – Diciembre 2024

Por Daniela Pérez

El  telescopio James Webb es nuevamente protagonista de esta sección. Cada vez es mayor la evidencia observacional proporcionada por este instrumento que en el universo muy temprano, ya existía una población muy importante de galaxias masivas. Cuando hablamos de universo muy temprano, nos referimos a que tenía algunos cientos de millones de años, esto es, casi un 3 por ciento de su edad actual.

Estos hallazgos han sorprendido a la mayor parte de astrónomos y físicos que trabajan en estos temas. Las predicciones del modelo cosmológico estándar estiman un proceso de formación de galaxias más lento y por ende, que galaxias completamente formadas aparecieran mucho después de lo que está mostrando el James Webb. Para hacerlo más gráfico, sería como si un ser humano de dos años ya estuviese en la pubertad. Evidentemente tuvo un crecimiento muy acelerado; es una anomalía ya que conocemos cómo se desarrollan los seres humanos en general. El problema con el universo (en verdad sólo es un problema para los que nos dedicamos a estudiarlo), es que sólo hay uno. Entonces, improbable lector, Ud ya estará imaginando que acaso hay “algo” en los modelos cosmológicos que da lugar a predicciones que no se corresponden con la realidad.

Figura 1: Esta imagen muestra una pequeña porción del campo observado por la cámara NIRCam (Near-Infrared Camera) del telescopio espacial James Webb de la NASA para el sondeo Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS). Créditos: NASA, ESA, CSA, S. Finkelstein (University of Texas)

Ese “algo” es uno de los problemas más importantes de la cosmología moderna. Hoy, el modelo estándar en cosmología es conocido como ΛCDM; se basa en las ecuaciones de Einstein con constante cosmológica (que se denota con la letra griega λ) e incluye bariones, neutrinos, fotones y materia fría oscura (Cold Dark Matter, en inglés). Esta componente es de naturaleza desconocida; no está formada por  las partículas elementales del modelo estándar, no interacciona electromagnéticamente (de allí su nombre “oscura”) y es fría ya que se mueve muy por debajo de la velocidad de la luz; su presencia sólo se manifiesta gravitacionalmente. De hecho, su existencia fue propuesta hace ya varias décadas para dar cuenta de las discrepancias entre la dinámica de objetos astronómicos, en particular  galaxias y cúmulos de galaxias y la cantidad de materia luminosa observada. Por otro lado, en el contexto del modelo cosmológico estándar, la materia oscura se introduce como un ingrediente fundamental para la formación de estructura en el universo temprano: las galaxias se formarían de manera muy lenta y gradual en un proceso jerárquico; la colisión y fusión de galaxias pequeñas contenidas en halos de materia oscura daría lugar a galaxias cada vez más grandes; éstas serían las que más tardarían en formarse y por lo tanto se espera que su abundancia sea muy baja en el universo temprano. La realidad parece ser otra.

Existen modelos alternativos al ΛCDM cuyas predicciones parecen ajustarse muy bien a los hallazgos del James Webb. La idea básica es la siguiente: en vez de introducir una componente de materia ”extraña” al modelo cosmológico (que por cierto hasta el momento no se ha detectado en forma directa), se modifica la teoría fundamental de la gravitación, esto es, la teoría de la relatividad general. Si bien la teoría formulada hace ya más de 100 años por Albert Einstein es la mejor teoría de la gravitación hasta el momento, tiene varios problemas. Los científicos han buscado formas de construir teorías de la gravitación alternativas; entre estas, se destaca MOND.

En MOND (por sus siglas en inglés MOdified Newtonian Dynamics – Dinámica newtoniana modificada), no existe una componente de materia oscura sino que la gravedad actúa diferente que en relatividad general. En particular, en MOND la fuerza gravitatoria no decae tan rápido a grandes distancias. En forma matemática, si denotamos con la letra F_G a la fuerza gravitatoria y con la letra r la distancia a la fuente, en gravedad newtoniana  F_G  decae con el cuadrado de la distancia (1/r²) mientras que en MOND F_G es proporcional a 1/r. Esto aumenta efectivamente la atracción gravitatoria en el proceso de formación de galaxias, lo cual contribuye a su aparición más temprana.

En un trabajo publicado recientemente en The Astrophysical Journal, Stacy S. McGaugh y colaboradores analizaron en detalle los nuevos datos del James Webb y cómo se ajustan con las predicciones tanto del modelo ΛCDM como MOND. En la Figura 5 del trabajo (aquí Fig. 2) los puntos de colores representan las galaxias observadas (C. T. Donnan el at. 2024) a distintos corrimientos al rojo y luminosidades: azul oscuro (z = 9), azul claro (z = 10), verde (z = 11), naranja (z = 12) y rojo (z = 14). Las líneas son las predicciones del modelo ΛCDM (L. Y. A. Yung et al. 2023) para los respectivos corrimientos al rojo. Si las predicciones del modelo fuesen buenas cada una de las líneas debería atravesar el punto que corresponde a su color. Claramente no sucede.

Figura 2

En la siguiente figura (que corresponde a la número 10 del trabajo) se muestra que las predicciones de MOND son mejores. En la figura los puntos representan galaxias de distintas edades y masas. El eje horizontal indica la edad del universo; cuanto más a la derecha más atrás en su historia. La masa de las galaxias crece hacia arriba, en sentido vertical. Las líneas punteadas corresponden a predicciones de la simulación Illustris ΛCDM  (V. Rodriguez-Gomez et al. 2016). Puede verse que los modelos que involucran materia oscura predicen un crecimiento tardío para las galaxias y son incapaces de explicar la aparición de galaxias a corrimientos al rojo muy altos. Las líneas negras representan las predicciones de MOND que se ajustan a los últimos datos del James Webb.

Figura 3

A pesar de estos resultados alentadores para MOND, es una teoría que tiene varias dificultades, entre las que se destaca no ser una teoría relativista. Algunos científicos han desarrollado generalizaciones relativistas: TeVeS (Tensor Vector Scalar gravity) por Jacob Bekenstein, y recientemente AeST (Aether Scalar Tensor theory) por C. Skordis & T. Złosnik (2019). Esta última ajusta al espectro tanto del fondo cósmico de microondas como de las galaxias a corrimientos al rojo bajos; muchos aspectos de la teoría, sin embargo, restan por ser explorados.

La materia oscura que durante años tuvo un estatus privilegiado, hasta casi dogmático en algunos círculos, empieza a tener reminiscencias con el éter. Por otro lado, se carece de un modelo cosmológico alternativo integral que funcione correctamente a distintas escalas y que pueda explicar el proceso de evolución del universo. La cosmología moderna está en una etapa de transición. Observaciones futuras y nuevos experimentos acaso podrán resolver algunas de estas cuestiones.

Referencias

• McGaugh S.S. et al 2024 ApJ 976 13
• Donnan, C. T., McLure, R. J., Dunlop, J. S., et al. 2024, MNRAS, 533, 3222
• Yung, L. Y. A., Somerville, R. S., Finkelstein, S. L., Wilkins, S. M., & Gardner, J. P. 2023, MNRAS, 527, 5929 Y
• Rodriguez-Gomez, V., Pillepich, A., Sales, L. V., et al. 2016, MNRAS, 458, 2371
• Skordis, C., & Złosnik, T. 2019, PhRvD, 100, 104013

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