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Evolving wormhole cosmology: modified Friedmann dynamics and observational constraints

Este artículo propone y valida un modelo cosmológico de agujero de gusano evolutivo derivado de una métrica de Morris-Thorne que produce una ecuación de Friedmann modificada, demostrando su consistencia con diversos conjuntos de datos observacionales al tiempo que ofrece un observable geométrico distintivo para diferenciar los espacios-tiempos de agujeros de gusano de los modelos de energía oscura estándar.

Autores originales: Aritra Sanyal, Kazuharu Bamba, Prabir Rudra

Publicado 2026-09-10

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CC BY 4.0

Autores originales: Aritra Sanyal, Kazuharu Bamba, Prabir Rudra

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Durante décadas, los astrónomos han observado que el universo se expande a un ritmo cada vez más rápido. Esta aceleración fue detectada por primera vez en la luz de estrellas distantes que explotaban y, más tarde, confirmada por el tenue resplandor del Big Bang y la forma en que las galaxias se agrupan. La explicación estándar para este aumento de velocidad es una fuerza misteriosa llamada energía oscura, a menudo imaginada como un empuje constante del propio espacio vacío. Sin embargo, esta idea deja a los científicos con dos problemas persistentes: por qué el empuje es tan débil en comparación con lo que la física simple predice, y por qué parece estar apoderándose del universo justo ahora, mientras la materia se desvanece. Para resolver estos enigmas, los investigadores han propuesto muchas alternativas, desde campos invisibles hasta cambios en las leyes de la gravedad. Un nuevo estudio sugiere un camino diferente, uno que no busca nuevos campos, sino que observa la forma del espacio mismo.

Los investigadores, trabajando desde universidades de la India y Japón, exploraron la posibilidad de que el universo esté atravesado por túneles microscópicos conocidos como agujeros de gusano. En la física teórica, un agujero de gusano es un atajo que conecta dos puntos distantes en el espacio, mantenido abierto por una extraña forma de materia que empuja hacia afuera en lugar de atraer hacia adentro. Aunque estos túneles suelen considerarse curiosidades locales, este equipo se planteó una pregunta audaz: ¿qué pasaría si existiera una vasta e invisible red de ellos por todo el cosmos? Si tal red estuviera distribuida uniformemente, su presencia colectiva podría imitar los efectos de la energía oscura, impulsando la expansión del universo sin necesidad de nuevas sustancias invisibles.

Para probar esta idea, el equipo construyó un modelo matemático de un agujero de gusano que crece y cambia a medida que el universo se expande. Comenzaron con una descripción clásica de un agujero de gusano y la adaptaron para que encajara dentro de un universo plano y en expansión. Una parte clave de su trabajo fue determinar cómo tratar un solo túnel diminuto como si fuera un fluido que llena todo el cosmos. Desarrollaron un método para promediar la energía y la presión de estos agujeros de gusano sobre un volumen enorme de espacio. Este proceso de promediación reveló que los agujeros de gusano se comportan como un fluido cósmico con un conjunto específico de reglas. El equipo descubrió que la forma en que los túneles de los agujeros de gusano cambian de tamaño a lo largo del tiempo, combinada con su forma específica, crea un patrón único y predecible que dicta cómo influyen en la expansión del universo.

Cuando los investigadores compararon su modelo con datos del mundo real, los resultados fueron sorprendentemente consistentes. Probaron su teoría utilizando tres tipos principales de mediciones astronómicas: las edades de galaxias antiguas que revelan la tasa de expansión actual, las ondas sonoras congeladas en la distribución de las galaxias y datos de alta precisión de un nuevo y masivo estudio llamado DESI. El modelo, que incluye un pequeño término de corrección que representa los agujeros de gusano, se ajustó perfectamente a todos estos conjuntos de datos. Predijo que el universo se está expandiendo actualmente a un ritmo consistente con las mediciones actuales, un valor que se sitúa cómodamente entre las mediciones contradictorias que han desconcertado a los científicos durante años. El modelo también identificó correctamente el momento en la historia cósmica en que el universo pasó de frenarse a acelerarse, lo cual ocurrió hace miles de millones de años.

Quizás el descubrimiento más emocionante es que este modelo de agujero de gusano hace una predicción única que las teorías estándar de la energía oscura no pueden realizar. El estudio sugiere que el tamaño de los túneles de los agujeros de gusano cambia a medida que el universo evoluciona. En el universo temprano, estos túneles habrían sido más pequeños y densos, y han ido creciendo a medida que el espacio se estira. Este cambio de tamaño es una firma específica de la geometría del agujero de gusano. Si las observaciones futuras pueden detectar este patrón específico de crecimiento, esto proporcionaría una forma de distinguir entre un universo impulsado por una simple constante cosmológica y uno moldeado por una red de estos túneles exóticos. Los hallazgos no prueban que los agujeros de gusano existan, pero demuestran que, si existen, su comportamiento colectivo ofrece una explicación geométrica natural para la expansión acelerada del universo que se ajusta a los datos tan bien como las teorías principales.

Resumen Técnico: Cosmología de Agujeros de Gusano Evolutivos

Planteamiento del Problema
El artículo aborda los desafíos teóricos y observacionales que enfrenta el modelo cosmológico estándar $\Lambda$ CDM, específicamente el problema de la constante cosmológica (el ajuste fino de $\Lambda$ ), el problema de la coincidencia y la tensión de Hubble (la discrepancia de $\sim 5\sigma$ entre los valores locales e inferidos por el CMB para $H_0$ ). Mientras que la energía oscura dinámica y la gravedad modificada son alternativas comunes, los autores proponen un enfoque geométrico: tratar la propia topología del espaciotiempo a gran escala como un motor de la aceleración cósmica. Específicamente, investigan si una red de agujeros de gusano atravesables, embebidos en un fondo de Friedmann–Lemaitre–Robertson–Walker (FLRW), puede modificar colectivamente las ecuaciones de Friedmann para imitar la energía oscura sin introducir nuevos campos escalares o fluidos ad hoc.

Metodología
Los autores construyen un modelo cosmológico basado en la métrica de Morris–Thorne, generalizada para incluir la dependencia temporal y la expansión cósmica.

Ansatz de la Métrica: Adoptan un fondo FLRW espacialmente plano con un cuello de agujero de gusano esféricamente simétrico y dependiente del tiempo. El elemento de línea se define mediante un factor de escala $a(t)$ y una función de forma separable $b(r, t) = b(r)g(t)$ , donde $b(r)$ describe el perfil radial del cuello y $g(t)$ gobierna su evolución.
Función de Forma: El análisis principal utiliza una función de forma de ley de potencia $b(r) = r_0 (r_0/r)^n$ con $n > 0$ , junto con parametrizaciones alternativas para verificaciones de robustez. El factor temporal se modela como $g(t) = a^\gamma(t)$ , donde $\gamma$ determina la evolución del cuello en relación con el flujo de Hubble.
Ecuaciones de Campo: Los autores computan el tensor de Einstein para esta métrica y derivan el tensor de energía-momento corregido ( $T_{\mu\nu}$ ) asociado con la geometría del agujero de gusano. Crucialmente, identifican una dependencia explícita de $a^{-2}(t)$ en los componentes de la densidad de energía, derivada del prefactor de la métrica espacial.
Promedio de Volumen: Para conectar la geometría local e inhomogénea del agujero de gusano con un fluido cosmológico homogéneo, realizan un procedimiento de promedio de volumen sobre un volumen de Hubble comóvil. Esto produce una densidad de energía macroscópica $\langle \rho_{WH} \rangle$ que escala con el corrimiento al rojo como $(1+z)^\beta$ .
Ecuación de Friedmann Modificada: La contribución promediada del agujero de gusano entra en la ecuación de Friedmann como un término de corrección $\Delta_{WH}(z) = \alpha(1+z)^\beta$ , donde $\alpha$ es un parámetro de densidad adimensional y $\beta$ es un exponente macroscópico derivado de los parámetros microscópicos $n$ y $\gamma$ .
Restricciones Observacionales: El modelo se restringe mediante un análisis de Monte Carlo por Cadenas de Markov (MCMC) frente a siete combinaciones de conjuntos de datos: Cronómetros Cósmicos (CC), Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO) estándar y datos del DESI Data Release 2 BAO. Los parámetros restringidos son $H_0$ , $\Omega_m$ , $\alpha$ y $\beta$ .

Contribuciones Clave

Derivación del Exponente Macroscópico: El artículo proporciona una derivación de forma cerrada que vincula los parámetros geométricos microscópicos con el comportamiento de expansión macroscópico: $\beta = \frac{3\gamma(n+1)}{2n+2}$ . Esto establece que el fluido del agujero de gusano se comporta como un componente barotrópico con una ecuación de estado constante $w_{WH} = -1 + \beta/3$ .
Consistencia de Promedio y Conservación: Los autores demuestran que el exponente $\beta$ derivado del procedimiento de promedio de volumen geométrico es idéntico al exponente requerido por la ley de conservación covariante ( $\dot{\rho} + 3H(\rho+p)=0$ ), validando la construcción de la función de forma separable.
Verificación de la Atravesabilidad: El modelo satisface todas las condiciones de atravesabilidad (condición del cuello, condición de flare-out y asintóticamente plana) y confirma explícitamente la violación de la Condición de Energía Nula (NEC) en el cuello, consistente con el requisito de materia exótica para agujeros de gusano atravesables.
Observable Novedoso: El modelo predice una forma funcional específica para la evolución del radio físico del cuello, $r_0(z) = r_{0,0}(1+z)^{-\gamma}$ , donde $\gamma = \beta/3$ . Esto ofrece un observable específico de la geometría para distinguir la cosmología de agujeros de gusano de las parametrizaciones fenomenológicas de energía oscura (por ejemplo, $w_0w_a$ CDM).

Resultados

Restricciones de Parámetros: El ajuste conjunto de los datos CC, BAO y DESI produce parámetros consistentes en todas las combinaciones de conjuntos de datos. Los valores de mejor ajuste son $H_0 \approx 68.53$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ , $\Omega_m \approx 0.30$ , $\alpha \approx 0.018$ y $\beta \approx 1.59$ .
Tensión de Hubble: El $H_0$ inferido es intermedio entre las mediciones locales (SH0ES) y los valores inferidos por el CMB (Planck), ofreciendo potencialmente una resolución parcial a la tensión de Hubble.
Ecuación de Estado: La ecuación de estado de la energía oscura efectiva es $w_{eff}(0) \approx -0.98$ , aumentando ligeramente a $-0.91$ en $z=2.5$ . La ecuación de estado intrínseca del agujero de gusano es $w_{WH} \approx -0.47$ , situándola firmemente en el régimen de la energía oscura pero distinta de una constante cosmológica pura ( $w=-1$ ).
Transición Deceleración-Aceleración: El modelo predice un desplazamiento al rojo de transición $z_t \approx 0.66$ , consistente con determinaciones independientes de datos de supernovas.
Viabilidad Estadística: El modelo de agujero de gusano se ajusta a los datos tan bien como el modelo $\Lambda$ CDM plano estándar (reducción de $\chi^2 \approx 0.56$ frente a $0.53$ para los datos de CC). La contribución del agujero de gusano actúa como una corrección pequeña y subdominante ( $\alpha \sim 10^{-2}$ ) en lugar de un efecto nuevo dominante.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma establecer la "cosmología de agujeros de gusanos evolutivos" no como una ocurrencia especulativa, sino como una dirección de investigación bien precedida y revisada por pares, fundamentada en el formalismo de Morris–Thorne. Su principal significancia radica en:

Origen Geométrico de la Energía Oscura: Demuestra que el efecto colectivo de una red de agujeros de gusano atravesables puede originar una modificación en las ecuaciones de Friedmann que imita la energía oscura, derivando la ecuación de estado directamente de la geometría del espaciotiempo en lugar de postular un nuevo campo.
Discriminabilidad Observacional: El modelo proporciona una predicción única y testable —la evolución del radio del cuello $r_0(z)$ — que sirve como discriminador entre la energía oscura topológica y las parametrizaciones estándar basadas en fluidos.
Consistencia Teórica: El trabajo cierra la brecha entre la física local de los agujeros de gusano (violación de NEC, materia exótica) y la cosmología global, mostrando cómo el promedio de volumen reconcilia la violación local de las condiciones de energía con un universo acelerado globalmente consistente.

Los autores concluyen que, si bien la contribución del agujero de gusano es actualmente una corrección perturbativa, el marco ofrece una alternativa robusta y motivada geométricamente a la constante cosmológica que es totalmente consistente con los datos cosmológicos actuales de alta precisión.

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