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Addressing $H_0$ and $S_8$ tensions within $f(Q)$ cosmology

Este estudio evalúa tres modelos de gravedad $f(Q)$ mediante un análisis bayesiano de diversos datos cosmológicos, encontrando que, si bien pueden aliviar parcialmente las tensiones de $H_0$ y $S_8$ , las leves inconsistencias internas de los datos limitan actualmente su preferencia estadística sobre el modelo estándar $\Lambda$ CDM.

Autores originales: Carlos G. Boiza, Maria Petronikolou, Mariam Bouhmadi-López, Emmanuel N. Saridakis

Publicado 2026-10-19

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CC BY 4.0

Autores originales: Carlos G. Boiza, Maria Petronikolou, Mariam Bouhmadi-López, Emmanuel N. Saridakis

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El universo se está expandiendo y, durante décadas, los astrónomos han podido medir qué tan rápido se está estirando. Al observar la luz más antigua del cosmos, el resplandor remanente del Big Bang, calculan una velocidad. Al observar estrellas en explosión en galaxias cercanas, calculan otra. Durante mucho tiempo, estas dos cifras coincidían, pero recientemente se han distanciado. Las mediciones del universo temprano sugieren una tasa de expansión más lenta, mientras que las mediciones del universo cercano sugieren una más rápida. Este desacuerdo no es solo un error menor; es una brecha significativa que insinúa que nuestra comprensión actual del universo podría estar incompleta. Junto con esto, existe un segundo enigma sobre cómo la materia se agrupa para formar galaxias y cúmulos. El universo parece ser más suave y menos grumoso de lo que predicen nuestras teorías estándar. Estos dos problemas, conocidos como la tensión de Hubble y la tensión S8, se han convertido en los desafíos más apremiantes de la cosmología moderna.

Para resolver estos enigmas, un equipo de investigadores recurrió a una idea radical: tal vez la gravedad misma se comporta de manera diferente a como creemos. En lugar de asumir que la gravedad es una fuerza causada por la curvatura del espacio y el tiempo, como propuso Albert Einstein, exploraron una versión de la gravedad basada en una propiedad geométrica diferente llamada no-metricidad. En este marco, conocido como gravedad f(Q), las reglas de cómo interactúan el espacio y el tiempo cambian de maneras sutiles que podrían alterar la historia de la expansión del universo sin añadir nuevos ingredientes invisibles. Los investigadores probaron tres variaciones específicas de esta teoría contra una enorme colección de datos del mundo real. Combinaron observaciones de la expansión del universo provenientes de la luz antigua, estrellas en explosión y los patrones rítmicos de la distribución de las galaxias para ver si estas nuevas reglas gravitacionales podrían corregir las discrepancias.

El estudio se centró en tres modelos matemáticos distintos, cada uno proponiendo una forma ligeramente diferente para que la gravedad se desvíe de las leyes clásicas de Einstein. El equipo introdujo estos modelos en un potente análisis estadístico que comparaba sus predicciones con cinco conjuntos diferentes de observaciones astronómicas. Estas observaciones variaban desde las edades de galaxias antiguas hasta las distancias precisas de supernovas y el mapa detallado del fondo cósmico de microondas. El objetivo era ver si cualquiera de estas nuevas teorías de la gravedad podía producir naturalmente una tasa de expansión más rápida para coincidir con las mediciones locales, o un agrupamiento de materia más lento para coincidir con la suavidad observada en el universo temprano.

Los resultados revelaron una división fascinante en cómo se comportan estas teorías. Dos de los modelos lograron elevar la tasa de expansión predicha, acercando el valor teórico mucho más a las mediciones más rápidas encontradas en el universo cercano. Esto ofreció una solución parcial al primer enigma, sugiriendo que modificar la gravedad podría, de hecho, mitigar la tensión respecto a qué tan rápido crece el cosmos. Sin embargo, estos mismos dos modelos empeoraron el segundo problema. Debido a que fortalecieron la forma en que la gravedad atrae la materia, predijeron un universo demasiado grumoso, profundizando la discrepancia con las observaciones de los cúmulos de galaxias.

El tercer modelo se comportó de la manera opuesta. Predijo una tasa de expansión más lenta, lo que no ayudó al primer enigma, pero debilitó la atracción de la gravedad en escalas grandes. Este efecto de debilitamiento significó que la materia se agrupó menos, acercando las predicciones de la teoría a la suavidad observada del universo. Este modelo ofreció un camino potencial para resolver la segunda tensión. Sin embargo, a pesar de sus éxitos individuales, el estudio encontró que ningún modelo único podía solucionar ambos problemas a la vez. Cuando los investigadores combinaron todas las fuentes de datos, las nuevas teorías tuvieron dificultades para ajustarse a la imagen completa simultáneamente. Los modelos que funcionaban bien con los datos de expansión chocaban con los datos del universo temprano, y viceversa.

En última instancia, el modelo estándar de la cosmología, que se basa en la gravedad de Einstein y una energía misteriosa llamada energía oscura, siguió proporcionando la descripción más consistente del universo a través de todos los diferentes tipos de datos. Las nuevas teorías de la gravedad mostraron ser prometedoras en áreas específicas, demostrando que son lo suficientemente flexibles como para abordar una tensión o la otra, pero introdujeron nuevas inconsistencias cuando se observaron como un todo. Los investigadores concluyeron que, si bien estas teorías basadas en la no-metricidad son una dirección convincente para estudios futuros, aún no son la respuesta completa. Los hallazgos sugieren que, si la solución a las tensiones del universo reside en una modificación de la gravedad, probablemente requerirá una versión más compleja de estas teorías, tal vez una que incluya elementos adicionales o una estructura matemática más intrincada, para satisfacer todas las restricciones observacionales al mismo tiempo.

Resumen Técnico: Abordando las tensiones de $H_0$ y $S_8$ dentro de la cosmología $f(Q)$

Planteamiento del problema
El Modelo Estándar de Cosmología ( $\Lambda$ CDM), aunque altamente efectivo, enfrenta tensiones observacionales significativas, específicamente la discrepancia en la constante de Hubble ( $H_0$ ) y la amplitud de agrupamiento ( $S_8$ ). La tensión de $H_0$ surge de la diferencia de $\sim 4.4\sigma$ entre la estimación de la colaboración Planck ( $67.27 \pm 0.60$ km/s/Mpc) y las mediciones locales directas de la colaboración SH0ES ( $74.03 \pm 1.42$ km/s/Mpc). Del mismo modo, la tensión de $S_8$ involucra una discrepancia entre las estimaciones de agrupamiento de materia derivadas del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) y las de los sondeos de estructura a gran escala (por ejemplo, SDSS/BOSS). Este estudio investiga si la gravedad $f(Q)$ —una teoría de gravedad modificada basada en la no-metricidad— puede servir como un marco alternativo viable para aliviar estas tensiones sin introducir una constante cosmológica.

Metodología
Los autores analizan tres modelos representativos de $f(Q)$ no lineales:

Modelo 1: $f_1(Q) = Q e^{\lambda_1 Q_0/Q}$
Modelo 2: $f_2(Q) = Q + Q_0 e^{-\lambda_2 Q_0/Q}$
Modelo 3: $f_3(Q) = Q + \lambda_3 Q_0 [1 - e^{-Q_0/Q}]$

Estos modelos están diseñados para reducirse a la Relatividad General (GR) en tiempos tempranos ( $Q \gg Q_0$ ) mientras generan la aceleración tardía mediante modificaciones geométricas. El estudio emplea un análisis bayesiano exhaustivo utilizando el muestreador MCMC Cobaya. El espacio de parámetros incluye la constante de Hubble ( $H_0$ ), la densidad de materia ( $\Omega_{m0}$ ) y la densidad de bariones ( $\Omega_{b0}$ ).

El análisis confronta estos modelos con cinco combinaciones distintas de conjuntos de datos cosmológicos:

Combinación I: Cronómetros Cósmicos (CC), Supernovas Tipo Ia (SN) y Brotes de Rayos Gamma (GRB).
Combinación II: Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO).
Combinación III: Priores de distancia del CMB.
Combinación IV: BAO + CMB.
Combinación V: Combinación completa (CC + SN + GRB + BAO + CMB).

El rendimiento de los modelos se evalúa utilizando el Criterio de Información de Akaike (AIC) y el Criterio de Información Bayesiano (BIC) en relación con el modelo estándar $\Lambda$ CDM. Las predicciones teóricas para la constante de Newton efectiva ( $G_{\text{eff}}$ ) y la ecuación de estado de la energía oscura efectiva ( $w_{\text{DE}}$ ) se derivan para evaluar las implicaciones para el crecimiento de la estructura y la tensión de $S_8$ .

Contribuciones Clave y Resultados

Alivio de la tensión de $H_0$ : Los Modelos 1 y 3 predicen con éxito valores más altos de $H_0$ en comparación con $\Lambda$ CDM cuando se incluyen los datos del CMB, acercando las estimaciones a las mediciones locales (por ejemplo, $H_0 \approx 70.4 - 71.5$ km/s/Mpc en la Combinación V). Esto ofrece un alivio parcial de la tensión de $H_0$ . Por el contrario, el Modelo 2 predice un $H_0$ más bajo que $\Lambda$ CDM, exacerbando la tensión.
Implicaciones para la tensión de $S_8$ : El estudio identifica un compromiso entre las dos tensiones. El Modelo 2 es el único candidato que satisface $G_{\text{eff}} < G$ , una condición típicamente asociada con la supresión del crecimiento de la estructura, lo que lo convierte en un candidato prometedor para abordar la tensión de $S_8$ . Sin embargo, los Modelos 1 y 3 exhiben $G_{\text{eff}} > G$ , lo que potencia el agrupamiento y es probable que empeore la tensión de $S_8$ .
Inconsistencias Internas de los Datos: Un hallazgo crítico es la emergencia de tensiones internas entre diferentes subconjuntos de datos dentro del marco $f(Q)$ $f (Q)$ .
- Las sondas de solo fondo (Combinación I) favorecen un $\Omega_{m0}$ más alto para los Modelos 1 y 3.
- Las sondas del universo temprano y de estructura a gran escala (BAO + CMB) impulsan a estos mismos modelos hacia un $\Omega_{m0}$ más bajo.
- Tanto el Modelo 2 como el Modelo 3 exhiben el mayor desajuste interno entre las restricciones de BAO y CMB, revelando una clara tensión en el plano $\Omega_{m0} - H_0$ . Mientras que el Modelo 2 muestra la mayor discrepancia general al comparar los datos de fondo (Combinación I) contra BAO+CMB (Combinación IV), la tensión específica BAO vs. CMB es más pronunciada en los Modelos 2 y 3.
Preferencia Estadística: Aunque los modelos son estadísticamente compatibles con $\Lambda$ CDM cuando se analizan frente a conjuntos de datos individuales (por ejemplo, CMB solo o BAO solo), la combinación de todos los conjuntos de datos (Combinación V) revela inconsistencias internas significativas. En consecuencia, $\Lambda$ CDM es fuertemente favorecido sobre los tres modelos $f(Q)$ en el ajuste global, como lo indican los altos valores de $\Delta$ AIC (por ejemplo, $\Delta$ AIC $\approx 11.0$ para el Modelo 1 y $37.1$ para el Modelo 2 en la Combinación V).

Significancia y Conclusiones
El artículo concluye que, si bien la gravedad $f(Q)$ proporciona un marco flexible y motivado teóricamente capaz de abordar o bien la tensión de $H_0$ o bien la de $S_8$ dependiendo del modelo específico elegido, actualmente no logra resolver ambas simultáneamente dentro de las formulaciones mínimas probadas. La incapacidad de reconciliar los datos de expansión de fondo con las restricciones de estructura a gran escala sugiere que la ausencia de un término de constante cosmológica en estos modelos mínimos puede ser un factor limitante.

Los autores sostienen que la gravedad $f(Q)$ sigue siendo una vía prometedora para la cosmología tardía, pero enfatizan que el trabajo futuro debe explorar modelos extendidos o híbridos (por ejemplo, incluyendo una constante cosmológica, formas funcionales más generales o diferentes elecciones de conexión) para reconciliar plenamente todas las restricciones observacionales. El estudio destaca que la naturaleza geométrica específica de la no-metricidad ofrece comportamientos fenomenológicos distintos (dinámicas tipo fantasma vs. tipo quintesencia) en comparación con otras teorías de gravedad modificada, lo que justifica una mayor investigación.

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