Revisiting the Hubble tension with an inverse power-law early dark energy

El universo se está expandiendo, un hecho establecido hace casi un siglo. Pero cuando los astrónomos intentan medir exactamente qué tan rápido está ocurriendo esta expansión hoy en día, se topan con un desacuerdo obstinado. Un método observa el resplandor remanente del Big Bang, una luz tenue que ha viajado a través del cosmos durante miles de millones de años. Cuando los científicos analizan esta luz antigua, sugieren que el universo se está expandiendo a un ritmo determinado, más lento. Otro método observa las estrellas y galaxias aquí mismo, en nuestro vecindario cósmico, midiendo sus distancias y velocidades directamente. Estas mediciones locales apuntan consistentemente a una tasa de expansión más rápida. La diferencia entre estos dos números es pequeña en términos absolutos, pero estadísticamente significativa como para sugerir que nuestra comprensión actual de la historia del universo podría estar omitiendo una pieza del rompecabezas. Esta discrepancia se conoce como la tensión de Hubble, y se ha convertido en uno de los misterios más apremiantes de la cosmología moderna.

Para resolver esto, los investigadores han propuesto que algo inusual sucedió en el universo muy temprano, apenas una fracción de segundo después del Big Bang. Llaman a este componente hipotético "energía oscura temprana". A diferencia de la energía oscura que conocemos hoy, que está empujando al universo para separarlo a un ritmo acelerado, esta versión temprana habría sido un estallido temporal de energía que existió por un breve momento antes de desvanecerse. Si tal estallido ocurrió, habría alterado las condiciones del universo temprano lo suficiente como para cambiar la forma en que interpretamos la luz antigua, potencialmente reconciliando la tasa de expansión lenta observada en el pasado con la tasa rápida medida hoy. Sin embargo, construir un modelo para esta energía que se ajuste a los datos sin crear nuevos problemas ha resultado ser difícil.

En un estudio reciente, los físicos Quan Zhou y Sibo Zheng, de la Universidad de Chongqing en China, propusieron una nueva forma de describir esta energía oscura temprana. En lugar de las formas complejas utilizadas en teorías previas, sugirieron un potencial que se comporta como una pendiente suave con una cola larga y que se va estrechando. Imaginen una colina que es plana en la cima pero luego desciende gradualmente, sin llegar nunca quite al fondo, pero acercándose infinitamente. En su modelo, un campo de energía se encuentra en esta pendiente. Durante mucho tiempo, el campo permanece estancado cerca de la cima, actuando como una fuente de energía constante. Pero a medida que el universo se expande y se enfría, el campo eventualmente comienza a rodar por la pendiente. Este movimiento de rodar libera energía, creando el estallido temporal necesario para ajustar la historia del universo temprano. Una vez que el campo rueda lo suficiente hacia abajo, su energía se vuelve insignificante, desapareciendo efectivamente de la ecuación cósmica y dejando que el universo evolucione como lo vemos hoy.

Los investigadores probaron esta idea alimentando su modelo en potentes simulaciones por computadora que rastrean la evolución del universo desde el Big Bang hasta el presente. Compararon los resultados de sus simulaciones contra una vasta colección de datos del mundo real. Estos datos incluyeron el mapa detallado del fondo cósmico de microondas, mediciones de cómo están espaciadas las galaxias a través del universo, observaciones de estrellas lejanas explotando y las últimas mediciones directas de la tasa de expansión de una colaboración conocida como H0DN. Cuando ejecutaron los números, encontraron que su nuevo modelo podía, de hecho, acercar los dos mediciones conflictivas de la tasa de expansión. Específicamente, para una versión específica de su modelo donde la pendiente de la colina de energía tiene una inclinación particular, la tasa de expansión predicha se estableció en un valor de aproximadamente 70.20 kilómetros por segundo por megaparsec, con un valor de mejor ajuste de 70.56. Este resultado se sitúa cómodamente entre el valor más bajo predicho por la luz antigua y el valor más alto medido localmente, reduciendo efectivamente la tensión entre ambos.

Sin embargo, la solución no está exenta de sus propios costos. Si bien el modelo logra aliviar la tensión de Hubble, introduce un tipo diferente de fricción. Los mismos ajustes que elevan la tasa de expansión también tienden a aumentar la grumosidad de la materia en el universo. Esto crea un nuevo conflicto con las observaciones sobre cuánta materia está agrupada, un problema conocido como la tensión S8. Los investigadores reconocen que su modelo hace que este problema existente sea ligeramente peor, aun cuando resuelve el rompeculo de la tasa de expansión. Además, el modelo depende de condiciones iniciales específicas que requieren un grado de ajuste fino, lo que significa que la configuración inicial del campo de energía debe establecerse con alta precisión para que funcione correctamente. Esto sugiere que, si bien la forma matemática de su potencial es una candidata prometedora, las razones teóricas más profundas de por qué el universo comenzaría en una configuración tan precisa siguen siendo poco claras.

El estudio también destaca que este nuevo modelo deja una huella distintiva en el universo que los futuros telescopios podrían detectar. Los investigadores calcularon que la presencia de este estallido de energía temprana causaría desviaciones diminutas y específicas en los patrones del fondo cósmico de microondas y en la forma en que la materia se distribuye a través del cosmos. Estas desviaciones son actualmente demasiado pequeñas para ser vistas con los datos existentes, pero son lo suficientemente grandes como para que las próximas misiones, que mapearán el universo con mucha mayor precisión, puedan detectarlas. Si las observaciones futuras confirman estos patrones específicos, proporcionaría una fuerte evidencia de que este tipo de energía oscura temprana realmente existió. Si no es así, el modelo probablemente será descartado.

En última instancia, este trabajo representa un paso adelante en el esfuerzo continuo por comprender la expansión del universo. Ofrece una alternativa concreta y comprobable al modelo estándar de la cosmología, una que es matemáticamente distinta de intentos previos. Si bien no proporciona una solución perfecta y de todo el espectro, demuestra que un campo de energía con una forma simple de ley de potencia inversa puede unir con éxito la brecha entre las mediciones conflictivas de la constante de Hubble. El camino a seguir implica recopilar datos más precisos para ver si la historia del universo realmente lleva la marca de esta fugaz energía temprana, o si el misterio de la tensión de Hubble requiere una explicación aún más radical.