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Cosmology without the cosmological principle: A study of the large-scale structure effects in the background universe

Esta tesis investiga las consecuencias cosmológicas de relajar el Principio Cosmológico mediante la revisión y aplicación de diversos modelos de universos inhomogéneos, anisotrópicos y con inclinación (tilted) a datos observacionales existentes, tales como supernovas y velocidades peculiares, en respuesta a las crecientes tensiones dentro del marco estándar $\Lambda$ CDM.

Autores originales: Erick Pastén

Publicado 2026-08-18

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CC BY 4.0

Autores originales: Erick Pastén

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Durante la mayor parte del último siglo, los astrónomos han operado bajo un supuesto reconfortante: que el universo, visto desde una distancia suficiente, se ve igual en todas partes y en todas las direcciones. Esta idea, conocida como el principio cosmológico, sugiere que nuestra posición en el cosmos no es especial. Implica que, si viajaras a una galaxia distante y miraras hacia atrás al universo, verías la misma vasta y uniforme distribución de materia que vemos desde la Tierra. Este principio es la base de nuestro modelo estándar de la cosmología, un marco que explica cómo el universo se expande y evolge. Sin embargo, este modelo depende de la existencia de una fuerza misteriosa e invisible llamada energía oscura para explicar por qué la expansión del universo se está acelerando. A medida que las observaciones se han vuelto más precisas, han comenzado a aparecer grietas en esta imagen. Diferentes formas de medir la tasa de expansión del universo arrojan resultados conflictivos, y extraños patrones en la distribución de las galaxias sugieren que el universo podría no ser tan uniforme como pensábamos. Si el universo no es perfectamente liso, o si nuestro vecindario local se está moviendo de una manera única, el modelo estándar podría estar omitiendo una pieza crucial del rompecabezas.

Una tesis doctoral de Erick Pastén, completada en la Universidad de Valparaíso en Chile, analiza de cerca estas grietas. En lugar de aceptar el modelo estándar como la última palabra, Pastén explora qué sucede si relajamos el supuesto de que el universo es perfectamente uniforme. Investiga si el extraño comportamiento que vemos en los datos —específicamente la aparente aceleración del universo— podría ser una ilusión causada por la estructura local del cosmos o por la forma en que nos movemos a través de él. El trabajo combina la física teórica con una inmersión profunda en los datos más recientes de supernovas de tipo Ia, que son estrellas en explosión utilizadas como marcadores de distancia cósmica para medir distancias a través del universo.

Una de las primeras vías que exploró Pastén fue la idea de que la materia en el universo está dispuesta en un patrón fractal, similar a la ramificación de un árbol o el borde dentado de una costa, donde los mismos patrones se repiten a diferentes escalas. Si la distribución de las galaxias sigue tal patrón en lugar de una propagación suave y uniforme, esto podría cambiar la forma en que calculamos la expansión del universo. Para probar esto, Pastén construyó un modelo matemático que permitía una transición de una distribución de materia de tipo fractal en nuestro vecindario local a una distribución suave y uniforme más allá. Luego comparó las predicciones de este modelo contra la luz de más de mil supernovas. Los resultados fueron claros: si bien una distribución fractal de la materia es un concepto interesante, no puede explicar plenamente la aceleración observada del universo. El modelo no logró ajustarse a los datos a menos que hiciera suposiciones poco realistas, como que el universo comenzó en diferentes tiempos en diferentes lugares. Esto sugiere que, si bien el universo local es de hecho grumoso y complejo, esta irregularidad por sí sola no es el secreto detrás de la aceleración cósmica.

La tesis luego dirigió su atención a un efecto más sutil: el movimiento de nuestra propia galaxia y del grupo de galaxias locales en relación con la expansión general del universo. Imagine el universo como un vasto océano en expansión. Mientras el agua fluye hacia afuera, un bote podría estar derivando en una corriente específica. Si el bote se mueve con la corriente, el agua parece fluir suavemente a su alrededor. Pero si el bote se mueve contra una corriente que converge, el agua podría parecer correr hacia él, creando una falsa impresión del comportamiento del océano. En cosmología, esto se conoce como un escenario "inclinado" (tilted). Pastén examinó si vivimos en una región donde el flujo de materia se está contrayendo, atrayendo a las galaxias entre sí en lugar de dejar que se alejen. Utilizando reconstrucciones sofisticadas del campo de velocidad local basadas en las posiciones y movimientos de millones de galaxias, encontró que el flujo local de materia se está contrayendo, en promedio. Esta contracción crea un efecto local que puede imitar los signos de aceleración. Si un observador se encuentra dentro de un flujo de contracción, el universo puede parecer que se está acelerando, incluso si el universo en su totalidad no lo hace. Este hallazgo respalda la idea de que la "energía oscura" que impulsa la aceleración podría ser una ilusión local creada por nuestra ubicación y movimiento específicos, más que una fuerza universal.

Para verificar estas ideas sin depender de un modelo preexistente del universo, Pastén realizó un análisis estadístico de los datos de las supernovas, dividiendo las observaciones en diferentes rangos de distancia y diferentes direcciones en el cielo. Buscó inconsistencias que violaran el principio cosmológico. El análisis reveló que la tasa medida de deceleración o aceleración no es consistente en todo el universo. Cuando los datos se dividieron en diferentes segmentos de distancia, los resultados variaron significativamente, lo que sugiere que el universo no se ve igual en todas las escalas. Además, cuando los datos se dividieron en dos mitades del cielo basadas en la dirección de nuestro movimiento respecto al fondo cósmico, los resultados mostraron una tensión entre ambos lados. Notablemente, las supernovas más cercanas, aquellas situadas a unos pocos cientos de millones de años luz, mostraron un comportamiento completamente diferente al resto de la muestra. Estas estrellas cercanas están fuertemente influenciadas por los movimientos locales y caóticos de las galaxias, lo que las hace poco fiables para medir la expansión suave del universo. Cuando estos valores atípicos cercanos fueron eliminados, las inconsistencias en los datos se hicieron aún más pronunciadas, sugiriendo que el modelo estándar podría estar omitiendo algo fundamental sobre cómo evoluciona el universo en grandes escalas.

El estudio concluye que los efectos de la estructura a gran escala local en nuestras mediciones son probablemente mayores de lo que se asumía anteriormente. Sugiere que el modelo estándar de la cosmología, que asume un universo perfectamente suave y uniforme, puede estar subestimando la complejidad del cosmos real. La aparente aceleración del universo podría ser una combinación de efectos locales, como la contracción de nuestro vecindario cósmico inmediato, y las limitaciones de nuestras herramientas matemáticas actuales. El trabajo de Pastén no demuestra que la energía oscura no exista, pero sugiere fuertemente que no podemos ignorar la naturaleza desordenada, grumosa y en movimiento del universo cuando intentamos comprenderlo. La tesis argumenta que para entender verdaderamente el cosmos, debemos dejar de asumir que estamos en un lugar especial y promedio, y empezar a contabilizar el movimiento específico y peculiar de nuestro entorno local. Al hacerlo, podríamos descubrir que el universo es más dinámico y menos uniforme de lo que nuestros libros de texto nos han hecho creer, y que la clave para resolver el misterio de la aceleración cósmica reside en comprender la intrincada danza de la materia en nuestro propio patio trasero cósmico.

Resumen Técnico: Cosmología sin el Principio Cosmológico

Planteamiento del Problema
El modelo cosmológico estándar $\Lambda$ CDM, aunque exitoso al coincidir con muchas observaciones, enfrenta tensiones teóricas y observacionales crecientes, incluyendo la tensión de Hubble, la discrepancia de $\sigma_8$ y anomalías en los datos del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) y de Supernovas Tipo Ia (SNIA). Estos modelos dependen fuertemente del Principio Cosmológico (CP), que asume que el universo es globalmente homogéneo e isotrópico. Esta tesis investiga las consecuencias de relajar el CP, explorando específicamente si las estructuras inhomogéneas y anisotrópicas, las velocidades peculiares y los efectos relativistas pueden explicar los fenómenos cosmológicos observados —como la aceleración cósmica aparente— sin invocar la Energía Oscura. La hipótesis central es que los efectos de la estructura a gran escala local (LLSS) y el movimiento de los observadores respecto al flujo de Hubble (cosmologías inclinadas o tilted) pueden estar subestimados o malinterpretados en los análisis estándar.

Metodología
La investigación emplea un enfoque multifacético que combina modelado teórico, formalismo covariante y análisis estadístico de datos observacionales:

Marcos Teóricos:
- Métricas Inhomogéneas: El estudio revisa y utiliza modelos de Lemaitre-Tolman-Bondi (LTB) para describir universos radialmente inhomogéneos. Específicamente, pone a prueba modelos donde la distribución de materia sigue una dimensión fractal ( $D$ ) que transiciona hacia la homogeneidad en una escala específica ( $L$ ).
- Cosmologías Inclinadas (Tilted Cosmologies): Utilizando el formalismo 1+3 covariante de la Relatividad General (RG), la tesis analiza observadores que se mueven con velocidades peculiares respecto al flujo de Hubble de fondo. Se derivan relaciones que conectan el parámetro de deceleración local ( $\tilde{q}$ ) medido por estos observadores "inclinados" con el parámetro global ( $q$ ) y el escalar de volumen del flujo masivo ( $\tilde{\theta}$ ).
- Evolución Relativista: El trabajo extiende el tratamiento covariante a la evolución de los campos de velocidad peculiar, comparando las tasas de crecimiento relativistas contra aproximaciones newtonianas y seminewtonianas para identificar fuentes gravitatorias faltantes (por ejemplo, el flujo de energía).
Análisis Observacional:
- Modelado Fractal: El autor construye modelos LTB con transiciones agudas y suaves desde una distribución de materia fractal ( $M(r) \propto r^D$ ) hacia un fondo de Einstein-de Sitter (EdS) homogéneo. Estos modelos son probados contra la muestra de SNIA de Pantheon+ utilizando métodos de Cadenas de Markov de Monte Carlo (MCMC) para restringir la dimensión fractal $D$ y la escala de transición $L$ .
- Reconstrucción del Campo de Velocidad: La tesis utiliza los datos del sondeo de galaxias 2M++ para reconstruir el campo de velocidad peculiar local. Calcula el escalar de volumen (divergencia) de este campo mediante diferencias finitas, aproximaciones integrales y relaciones teóricas, contabilizando posibles sesgos en la normalización de la densidad y la dependencia de la cosmología de fondo.
- Análisis Cosmográfico: Se realiza un análisis estadístico independiente del modelo sobre el conjunto de datos Pantheon+. El parámetro de deceleración $q_0$ se extrae utilizando expansiones de Taylor cosmográficas de la distancia de luminosidad. Los datos se clasifican por redshift utilizando bins y se dividen en hemisferios respecto al dipolo del CMB para probar anisotropías y la evolución con el redshift de los parámetros cosmológicos.

Contribuciones Clave y Resultados

Distribución de Materia Fractal: El estudio demuestra que una distribución de materia puramente fractal dentro de un marco LTB, asumiendo un Big Bang homogéneo, no puede explicar la aceleración cósmica ni ajustar los datos de SNIA de Pantheon+ mejor que los modelos estándar. Mientras que los modelos de transición aguda ajustan razonablemente bien los datos de bajo redshift, fallan en redshifts más altos. Los modelos de transición suave producen una mejor estabilidad de parámetros, pero aun así resultan en ajustes deficientes ( $\chi^2_{red} > 1$ ). La conclusión es que la estructura fractal por sí sola, sin supuestos no físicos como un Big Bang inhomogéneo, es insuficiente para reemplazar la Energía Oscura.
Cosmologías Inclinadas y Flujos Masivos: Las derivaciones teóricas confirman que los observadores dentro de un flujo masivo en contracción pueden medir un parámetro de deceleración negativo ( $\tilde{q} < 0$ ) incluso si el universo de fondo está decelerando ( $q > 0$ ). Aplicando esto a la reconstrucción de velocidad de 2M++, el autor encuentra que el campo de velocidad peculiar local está, en promedio, en contracción (divergencia negativa) a través de escalas de hasta 200 Mpc. Esto respalda la posibilidad teórica de que una contracción local podría imitar la aceleración global.
Efectos Relativistas en la Evolución de la Velocidad: La tesis establece una conexión entre la tasa de crecimiento mejorada de las velocidades peculiares en la física relativista y el enfoque semineutoniano. Sugiere que la discrepancia surge de la negligencia de fuentes gravitatorias adicionales en la gravedad newtoniana, como el flujo de energía. Esto implica que las correcciones relativistas pueden impactar significativamente la evolución de las estructuras a gran escala.
Anomalías Cosmográficas: El análisis estadístico de los datos de Pantheon+ revela que el parámetro de deceleración $q_0$ $q_{0}$ no es consistente a través de diferentes bins de redshift, lo que contradice la suposición de un universo homogéneo.
- Tensiones de Bajo Redshift: Supernovas muy cercanas ( $z \le 0.008$ ) arrojan valores de $q_0$ inconsistentes con los parámetros de fondo, probablemente debido a la contaminación por dispersión de velocidad local. Eliminar estos puntos de datos reduce las tensiones entre los diferentes bins de redshift.
- Evolución con el Redshift: Una regresión lineal de $q_0(z)$ favorece una pendiente distinta de cero sobre un valor constante, sugiriendo que los parámetros cosmológicos pueden evolucionar con el redshift.
- Análisis Hemisférico: Aunque no se encontró una tensión significativa entre los hemisferios definidos por el dipolo del CMB, se detectó una tensión específica de $\sim 3.8\sigma$ entre los bins de redshift dentro del hemisferio "UP" (alineado con la dirección del dipolo).

Significancia y Reivindicaciones
La tesis argumenta que la magnitud de los efectos de la Estructura a Gran Escala (LSS) sobre los parámetros cosmológicos puede ser mayor de lo comúnmente asumido. Postula que:

Los Efectos Locales están Subestimados: La geometría y la dinámica del campo de velocidad peculiar local, particularmente su contracción, podrían influir significativamente en la medición de los parámetros cosmológicos, potencialmente imitando la aceleración.
Las Correcciones Relativistas son Cruciales: La evolución de las velocidades peculiares y la retroacción (back-reaction) de las inhomogeneidades son probablemente subestimadas en los tratamientos newtonianos estándar. La formulación covariante de la RG ofrece un marco donde estos efectos se incluyen naturalmente.
Cambio Metodológico: El autor aboga por análisis estadísticos "ciegos" y cosmográficos que no presuponen el Principio Cosmológico o un modelo de fondo específico (como $\Lambda$ CDM). Tales enfoques revelan anomalías (por ejemplo, la evolución de $q_0$ con el redshift) que quedan enmascaradas cuando los datos se fuerzan en un modelo preseleccionado.
Direcciones Futuras: El trabajo destaca la necesidad de elucidar la dinámica de la LLSS independientemente de la cosmología de fondo y de desarrollar métodos de reconstrucción que incorporen efectos relativistas de la relatividad general. Sugiere que, si bien la Energía Oscura puede seguir siendo real, una comprensión más profunda de la estructura local y los efectos relativistas es esencial para restringir los parámetros físicos con precisión.

El artículo concluye que, si bien los modelos fractales específicos probados no resolvieron el problema de la aceleración, la investigación más amplia sobre la relajación del Principio Cosmológico revela que los modelos estándar actuales pueden estar omitiendo ingredientes físicos críticos relacionados con la inhomogeneidad, la anisotropía y los efectos del observador relativista.

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