Aseguran que la energía oscura “no existe”, por lo que no puede estar expandiendo el Universo

Uno de los mayores misterios de la ciencia, la energía oscura, en realidad no existe, según un equipo de investigadores que buscan resolver el enigma de cómo se expande el universo.

Durante los últimos 100 años, los físicos han asumido, como una generalidad, que el cosmos está creciendo, de manera equidistante, en todas direcciones. Emplearon el concepto de energía oscura como marcador de posición para explicar una física desconocida que no podían entender, pero la polémica teoría siempre ha tenido sus problemas.

Ahora, un equipo de físicos y astrónomos de la Universidad de Canterbury en Christchurch, Nueva Zelanda, está desafiando el status quo, utilizando un análisis mejorado de las curvas de luz de las supernovas para demostrar que el Universo se está expandiendo de una manera más variada y “más irregular”.

La nueva evidencia apoya el modelo “timescape” de expansión cósmica, que no necesita energía oscura porque las diferencias en el estiramiento de la luz no son el resultado de un Universo en aceleración sino una consecuencia de cómo calibramos el tiempo y la distancia.

Tiene en cuenta que la gravedad ralentiza el tiempo, por lo que un reloj ideal en el espacio vacío marcha más rápido que en el interior de una galaxia.

El modelo sugiere que un reloj en la Vía Láctea sería aproximadamente un 35 por ciento más lento que en una posición promedio en grandes vacíos cósmicos, lo que significa que habrían pasado miles de millones de años más en los vacíos. Esto, a su vez, permitiría una mayor expansión del espacio, lo que haría parecer que la expansión se está acelerando a medida que esos vastos vacíos crecen hasta dominar el Universo.

El profesor David Wiltshire, quien dirigió el estudio, dijo que “nuestros hallazgos muestran que no necesitamos la energía oscura para explicar por qué el Universo parece expandirse a un ritmo acelerado.

“La energía oscura es una identificación errónea de las variaciones en la energía cinética de expansión, que no es uniforme en un Universo tan irregular como el en el que realmente vivimos”.

Wiltshire añadió que “la investigación proporciona evidencia convincente que puede resolver algunas de las preguntas clave en torno a las peculiaridades de nuestro cosmos en expansión”.

“Con nuevos datos, el mayor misterio del Universo podría resolverse a finales de la década”.

El nuevo análisis fue publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters.

Comúnmente se cree que la energía oscura es una fuerza antigravitatoria débil que actúa independientemente de la materia y constituye alrededor de dos tercios de la densidad de masa-energía del Universo.

El modelo estándar del Universo, Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM), requiere energía oscura para explicar la aceleración observada en la tasa de expansión del cosmos.

Los científicos basan esta conclusión en mediciones de las distancias a las explosiones de supernovas en galaxias distantes, que parecen estar más lejos de lo que deberían estar si la expansión del Universo no se estuviera acelerando.

Sin embargo, la actual tasa de expansión del Universo es cuestionada cada vez más por nuevas observaciones.

En primer lugar, la evidencia del resplandor crepuscular del Big Bang, conocido como el Fondo Cósmico de Microondas (CMB), muestra que la expansión del Universo temprano está en desacuerdo con la expansión actual, una anomalía conocida como la “tensión de Hubble”.

Además, un análisis reciente de nuevos datos de alta precisión del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) ha descubierto que el modelo ΛCDM no se ajusta tan bien a los modelos en los que la energía oscura está “evolucionando” con el tiempo, en lugar de permanecer constante.

Tanto la tensión de Hubble como las sorpresas reveladas por DESI son difíciles de resolver en modelos que utilizan una ley de expansión cósmica simplificada de hace 100 años: la ecuación de Friedmann.

Aquella supone que, en promedio, el Universo se expande de manera uniforme, como si todas las estructuras cósmicas pudieran pasarse por una licuadora para obtener una sopa sin rasgos distintivos, sin una estructura complicada. Sin embargo, el Universo actual, en realidad, contiene una compleja red cósmica de cúmulos de galaxias en láminas y filamentos que rodean y enhebran vastos espacios vacíos.

Wiltshire añadió que “ahora disponemos de tantos datos que, en el siglo XXI, finalmente, podemos responder a la pregunta: ¿cómo y por qué surge una ley de expansión promedio simple de la complejidad?

“Una ley de expansión simple consistente con la relatividad general de Einstein no tiene por qué obedecer la ecuación de Friedmann”.

Los investigadores afirman que el satélite Euclid de la Agencia Espacial Europea, que fue lanzado el 1° de julio de 2023, impulsado por un cohete Falcon 9 de Space X, posee el poder de probar y distinguir la ecuación de Friedmann de la alternativa del paisaje temporal. Sin embargo, esto requerirá al menos 1.000 observaciones independientes de supernovas de alta calidad.

Cuando el modelo de paisaje temporal propuesto se probó por última vez en 2017, el análisis sugirió que sólo se ajustaba ligeramente mejor que el ΛCDM como explicación de la expansión cósmica, por lo que el equipo de Christchurch trabajó en estrecha colaboración con el equipo de colaboración Pantheon+ que había elaborado minuciosamente un catálogo de 1.535 supernovas distintas.

Dicen que los nuevos datos ahora proporcionan “evidencias muy sólidas” de la existencia de un paisaje temporal. También pueden indicar una resolución convincente de la tensión de Hubble y otras anomalías relacionadas con la expansión del Universo.

Serán necesarias más observaciones de Euclid y del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman para reforzar el apoyo al modelo del timescape, dicen los investigadores, y ahora se está corriendo para utilizar esta riqueza de nuevos datos para revelar la verdadera naturaleza de la expansión cósmica y la energía oscura.

• El paper “Supernovae evidence for foundational change to cosmological models”, de Antonia Seifert, Zachary Lane, Marco Galoppo, Ryan Ridden-Harper y David L Wiltshire, se publicó en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters. DOI: 10.1093/mnrasl/slae112. El artículo “Cosmological foundations revisited with Pantheon+”, de Antonia Seifert, Zachary Lane, Ryan Ridden-Harper y David L Wiltshire, fue publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. DOI: 10.1093/mnras/stae2437.

• La cosmología del paisaje temporal fue propuesta por David Wiltshire en 2007, utilizando el formalismo matemático de Thomas Buchert en la relatividad general, como una alternativa viable a la energía oscura. En los 17 años transcurridos desde entonces, Wiltshire y sus estudiantes han seguido desarrollando el modelo del paisaje temporal y lo han probado con una variedad de datos cosmológicos. Zachary Lane y Antonia Seifert desarrollaron conjuntamente los códigos utilizados en el nuevo análisis.

• En su página, en el sitio de la Universidad de Canterbury, el Profesor Wiltshire señala: “Mis intereses de investigación son la relatividad general, la cosmología y la gravedad cuántica. Formé parte del comité de la Sociedad Internacional sobre Relatividad General y Gravitación 2017-2022, fui presidente de la Sociedad de Relatividad General y Gravitación de Australasia y ex presidente del Instituto de Física de Nueva Zelanda. Trabajé 8 años en el consejo editorial de Classical and Quantum Gravity, 2012-2019”. “Entre el profesorado permanente de Canterbury, mis intereses de investigación se cruzan más estrechamente con los de Chris Stevens en Matemáticas, y también con los de Jenni Adams y Chris Gordon en Física”. “Actualmente, mi investigación se centra en comprender la energía gravitacional en un universo no homogéneo: mi tesis es la clave para comprender el misterio de la ’energía oscura’. Tengo una alternativa viable a la cosmología estándar, sin energía oscura, a la que he llamado cosmología del paisaje temporal. Soy investigador principal de una beca Marsden recientemente concedida: Cambiando la faz del Universo: Simulaciones cosmológicas a partir de los principios iniciales de la relatividad general. Pierre Mourier se unió a nosotros como postdoctorado en Marsden en noviembre de 2024. He supervisado 9 doctorados completados. Actualmente estoy supervisando a 1 estudiante de maestría, Manon van Zyl, y 5 estudiantes de doctorado: Michael Williams, Chris Harvey-Hawes, Morag Hills, Marco Galoppo y Zac Lane. (Zac es cosupervisado con Ryan Ridden-Harper). Los posdoctorados anteriores en nuestro grupo fueron Teppo Mattsson e Ishwaree Neupane. El profesor emérito Roy Kerr participa en las reuniones de nuestro grupo. Tenemos colaboraciones en curso con el grupo de Thomas Buchert en la Universidad de Lyon 1, Hayley Macpherson en la Universidad de Chicago, Asta Heinesen en la Universidad de Copenhague, Krzysztof Bolejko en la Universidad de Tasmania y Jan Ostrowski en el Centro Nacional de Investigación Nuclear, Varsovia”.

English version

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Dark energy ‘doesn’t exist’ so can’t be pushing ’lumpy’ Universe apart

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One of the biggest mysteries in science -dark energy- doesn’t actually exist, according to researchers looking to solve the riddle of how the Universe is expanding.

For the past 100 years, physicists have generally assumed that the cosmos is growing equally in all directions. They employed the concept of dark energy as a placeholder to explain unknown physics they couldn’t understand, but the contentious theory has always had its problems.

Now a team of physicists and astronomers at the University of Canterbury in Christchurch, New Zealand are challenging the status quo, using improved analysis of supernovae light curves to show that the Universe is expanding in a more varied, “lumpier” way.

The new evidence supports the “timescape” model of cosmic expansion, which doesn’t have a need for dark energy because the differences in stretching light aren’t the result of an accelerating Universe but instead a consequence of how we calibrate time and distance.

It takes into account that gravity slows time, so an ideal clock in empty space ticks faster than inside a galaxy.

The model suggests that a clock in the Milky Way would be about 35 per cent slower than the same one at an average position in large cosmic voids, meaning billions more years would have passed in voids. This would in turn allow more expansion of space, making it seem like the expansion is getting faster when such vast empty voids grow to dominate the Universe.

Professor David Wiltshire, who led the study, said: “Our findings show that we do not need dark energy to explain why the Universe appears to expand at an accelerating rate.”

“Dark energy is a misidentification of variations in the kinetic energy of expansion, which is not uniform in a Universe as lumpy as the one we actually live in.”

He added that “the research provides compelling evidence that may resolve some of the key questions around the quirks of our expanding cosmos.”

“With new data, the Universe’s biggest mystery could be settled by the end of the decade.”

The new analysis has been published in the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters.

Dark energy is commonly thought to be a weak anti-gravity force which acts independently of matter and makes up around two thirds of the mass-energy density of the Universe.

The standard Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM) model of the Universe requires dark energy to explain the observed acceleration in the rate at which the cosmos is expanding.

Scientists base this conclusion on measurements of the distances to supernova explosions in distant galaxies, which appear to be farther away than they should be if the Universe’s expansion were not accelerating.

However, the present expansion rate of the Universe is increasingly being challenged by new observations.

Firstly, evidence from the afterglow of the Big Bang - known as the Cosmic Microwave Background (CMB) - shows the expansion of the early Universe is at odds with current expansion, an anomaly known as the " Hubble tension”.

In addition, recent analysis of new high precision data by the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) has found that the ΛCDM model does not fit as well as models in which dark energy is “evolving” over time, rather than remaining constant.

Both the Hubble tension and the surprises revealed by DESI are difficult to resolve in models which use a simplified 100-year-old cosmic expansion law - Friedmann’s equation.

This assumes that, on average, the Universe expands uniformly - as if all cosmic structures could be put through a blender to make a featureless soup, with no complicating structure. However, the present Universe actually contains a complex cosmic web of galaxy clusters in sheets and filaments that surround and thread vast empty voids.

Professor Wiltshire added: “We now have so much data that in the 21st century we can finally answer the question - how and why does a simple average expansion law emerge from complexity?”

“A simple expansion law consistent with Einstein’s general relativity does not have to obey Friedmann’s equation.”

The researchers say that the European Space Agency’s Euclid satellite, which was launched in July 2023, has the power to test and distinguish the Friedmann equation from the timescape alternative. However, this will require at least 1,000 independent high quality supernovae observations.

When the proposed timescape model was last tested in 2017 the analysis suggested it was only a slightly better fit than the ΛCDM as an explanation for cosmic expansion, so the Christchurch team worked closely with the Pantheon+ collaboration team who had painstakingly produced a catalogue of 1,535 distinct supernovae.

They say the new data now provides “very strong evidence” for timescape. It may also point to a compelling resolution of the Hubble tension and other anomalies related to the expansion of the Universe.

Further observations from Euclid and the Nancy Grace Roman Space Telescope are needed to bolster support for the timescape model, the researchers say, with the race now on to use this wealth of new data to reveal the true nature of cosmic expansion and dark energy.