Cómo saber si el Universo se comporta igual en todas partes

Las lentes gravitacionales débiles pueden servir para probar el Principio Cosmológico, que sostiene que en escalas espaciales suficientemente grandes, el Universo es isótropo y homogéneo.

"El principio cosmológico es como una especie de declaración suprema de humildad", explica James Adam, astrofísico de la Universidad de Western Cape (Sudáfrica) y autor principal de un nuevo artículo que se publica en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).

Según el principio cosmológico, no solo no estamos en el centro del universo, sino que no existe un centro verdadero. Otro supuesto, similar a la homogeneidad pero distinto e independiente de ella, es que el universo también es isótropo, lo que significa que no tiene direcciones preferidas. Estos supuestos sustentan el Modelo Estándar de Cosmología, el marco teórico utilizado para explicar el origen, la evolución y el estado actual del universo. Actualmente es el modelo más sólido y consistente, verificado por numerosas observaciones científicas, aunque todavía no es perfecto.

De hecho, algunas observaciones cosmológicas recientes sugieren que, en escalas extremadamente grandes, puede haber anisotropías, es decir, variaciones en la estructura del Universo que desafían la hipótesis de la isotropía. Estas anomalías se han identificado utilizando diferentes métodos e incluyen mediciones contradictorias de la tasa de expansión del Universo, estudios de la radiación de fondo de microondas cósmica y varias inconsistencias en los datos cosmológicos. Sin embargo, estas observaciones aún no son concluyentes. Para descartar errores de medición, se deben recopilar más datos utilizando metodologías independientes. Si múltiples técnicas confirman las mismas anomalías, su existencia será mucho más difícil de descartar.

El nuevo estudio desarrolló una nueva metodología para probar la isotropía del Universo utilizando observaciones de instrumentos como Euclid, un telescopio espacial de la ESA lanzado en 2023, que acaba de comenzar a producir imágenes del cosmos con una potencia, precisión y resolución sin precedentes.

"Investigamos un método diferente para limitar la anisotropía, que implicaba la llamada lente gravitacional débil", desarrolla Adam. La lente gravitacional débil se produce porque la materia entre nosotros y una galaxia distante dobla ligeramente la luz de la galaxia, alterando su forma aparente. Este tipo específico de distorsión puede revelar si existen anisotropías en el Universo. De hecho, el análisis de los datos de lente gravitacional débil permite a los científicos separar la señal en dos componentes: cizallamiento en modo E , que se genera por la distribución de la materia en un Universo isótropo y homogéneo, y cizallamiento en modo B. , que normalmente es muy débil y no debería aparecer a gran escala en un Universo isótropo.

La simple observación de los modos B a gran escala no sería suficiente para confirmar las anisotropías, ya que estas señales son muy débiles y podrían ser resultado de errores de medición o efectos secundarios. Si una anisotropía es real, afectaría tanto a los modos E como a los modos B de forma no independiente, generando una correlación entre las dos señales. Solo si los datos de Euclid revelan una correlación significativa entre los modos E y B, sugerirían una expansión anisotrópica del Universo.

En su estudio, Adam y su equipo simularon los efectos de una expansión anisotrópica del universo en una computadora y desarrollaron un modelo que describe cómo las desviaciones de la isotropía modificarían la señal de lente débil. Luego calcularon la correlación cruzada EB para demostrar que un universo anisotrópico produciría una correlación entre las dos señales y aplicaron su modelo a futuros datos de Euclid, demostrando que estas observaciones serán lo suficientemente precisas para detectar posibles anisotropías.

Euclid ya está empezando a proporcionar datos útiles para estos análisis y pronto se pondrán en funcionamiento nuevos observatorios. Ahora que han desarrollado la metodología adecuada, Adam y sus colegas tienen la intención de aplicarla a datos reales. "Una vez que se ha comprobado el trabajo cuatro veces, hay que considerar seriamente si esta suposición fundamental es realmente cierta o no, especialmente en el Universo tardío. O tal vez nunca fue cierta", explica Adam.

Si se confirman estas anomalías, se abriría un nuevo capítulo en la cosmología. Pero no será fácil: ya existen modelos teóricos alternativos que predicen anisotropías, pero ninguno es tan sólido ni está tan ampliamente aceptado como el Modelo Estándar. Sin embargo, cualquier revisión teórica también dependería del grado de anisotropía que se pueda detectar, lo cual sigue siendo incierto