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Testing cosmic acceleration from thermogravity without vacuum energy

Este artículo presenta una prueba observacional de nivel de fondo de una teoría de termogravitación donde la aceleración cósmica surge de la no conservación de la energía en lugar de una constante cosmológica, encontrando que, si bien un modelo que restringe la no conservación a la materia oscura fría mejora el ajuste a los datos de distancia en comparación con $\Lambda$ CDM, exacerba la tensión de Hubble al reducir el valor inferido de $H_0$ .

Autores originales: Dong Ha Lee, João Magueijo, Carsten van de Bruck, Eleonora Di Valentino

Publicado 2026-09-25

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CC BY 4.0

Autores originales: Dong Ha Lee, João Magueijo, Carsten van de Bruck, Eleonora Di Valentino

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El universo se está expandiendo y, durante décadas, la explicación principal para esta aceleración ha sido una misteriosa fuerza llamada energía oscura, a menudo modelada como una constante cosmológica. Este concepto sugiere que el propio espacio vacío posee una energía inherente que separa las galaxias. Sin embargo, esta idea enfrenta un profundo problema teórico: los cálculos de la energía que se espera del espacio vacío predicen un valor vastamente mayor de lo que realmente observamos. Además, mediciones recientes de la tasa de expansión del universo han revelado desacuerdos persistentes entre lo que vemos en el cosmos temprano y lo que medimos en el universo cercano. Estas tensiones han llevado a los físicos a preguntarse si al modelo estándar de la cosmología le falta algo fundamental, quizás un fallo en cómo entendemos la gravedad misma o cómo se comporta la energía en las escalas más grandes.

Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Sheffield e Imperial College London explora una alternativa radical al modelo estándar. En lugar de asumir que el espacio vacío empuja el universo para separarlo, investigan una teoría donde la gravedad y la termodinámica están profundamente vinculadas. En este marco, las ecuaciones que describen la gravedad se modifican para que la energía del vacío del espacio no contribuya a la gravedad en absoluto. Más importante aún, la teoría permite una violación controlada de la ley de conservación de la energía. En la visión estándar, la energía no puede crearse ni destruirse, pero en este modelo de termogravedad, el universo puede generar densidad de energía con el tiempo sin crear momento. Los investigadores se hicieron una pregunta sencilla: si el universo puede crear energía por sí mismo, ¿podría ese proceso por sí solo impulsar la aceleración observada, eliminando la necesidad de una constante cosmológica por completo?

Para responder a esto, el equipo probó dos versiones de esta teoría contra datos astronómicos reales. La primera versión, llamada el modelo universal, asumía que esta creación de energía ocurre para todas las formas de materia y luz por igual. Cuando compararon este modelo con observaciones de supernovas distantes y la estructura a gran escala del universo, los resultados fueron contundentes. El modelo universal no logró ajustarse a los datos. Creaba un intercambio rígido: para coincidir con la tasa de expansión vista en la historia media del universo, el modelo tenía que predecir una aceleración actual demasiado débil para coincidir con lo que vemos hoy. Los datos desfavorecieron fuertemente esta idea, mostrando que una simple creación universal de energía no puede explicar el cosmos tal como lo observamos.

Los investigadores se volvieron entonces hacia una versión más matizada de la teoría, donde esta creación de energía se restringe únicamente a la materia oscura fría, la sustancia invisible que mantiene unidas a las galaxias. En este escenario, la materia ordinaria, la luz y los neutrinos se comportan exactamente como en el modelo estándar, mientras que solo el sector de la materia oscura gana energía con el tiempo. Este enfoque resultó ser mucho más exitoso. Al ser probado contra los mismos datos astronómicos, este modelo proporcionó un mejor ajuste que el modelo estándar de la constante cosmológica. La mejora fue estadísticamente significativa, con los datos favoreciendo esta nueva explicación sobre la antigua por un margen que sugiere una preferencia genuina por la teoría. El modelo funciona al ralentizar ligeramente la tasa de expansión en el pasado en relación con el modelo estándar, lo cual se alinea mejor con las distancias medidas hacia galaxias lejanas.

Sin embargo, la historia no termina con la victoria simple de la nueva teoría. Aunque la versión de solo materia oscura se ajusta mejor a la historia de la expansión, no resuelve el otro gran enigma que plaga la cosmología: la tensión de Hubble. Esta tensión surge porque las mediciones de la tasa de expansión del universo desde el universo temprano no concuerdan con las mediciones del universo cercano. Cuando los investigadores utilizaron datos del universo temprano para calibrar su modelo, el resultado fue que la tasa de expansión predicha para el día de hoy cayó aún más bajo, empeorando el desacuerdo con las mediciones cercanas en lugar de mejorarlo. La nueva teoría describe con éxito cómo se expande el universo, pero aún no resuelve el conflicto entre las diferentes formas de medir esa expansión.

El estudio concluye que, si bien una creación universal de energía probablemente no es la respuesta, una versión donde solo la materia oscura participa en este proceso sigue siendo una posibilidad viable y convincente. Ofrece una alternativa concreta y contrastable al modelo estándar que mejora nuestra descripción de la historia cósmica sin añadir parámetros adicionales. Los investigadores enfatizan que esto es solo un primer paso, centrado en el fondo suave y a gran escala del universo. La verdadera prueba llegará cuando los científicos puedan aplicar esta teoría a las estructuras irregulares y fluctuantes del cosmos, como el fondo cósmico de microondas y el crecimiento de los cúmulos de galaxias. Hasta entonces, la idea de que la materia oscura podría estar ganando energía lentamente del propio tejido del espacio-tiempo permanece como un serio contendiente en la búsqueda de entender por qué el universo se está acelerando.

Resumen Técnico: Pruebas de la aceleración cósmica desde la termogravidad sin energía de vacío

Planteamiento del problema
El modelo estándar $\Lambda$ CDM describe con éxito el Universo observado, pero depende de la constante cosmológica $\Lambda$ , cuya origen físico permanece oscuro (el viejo problema de la constante cosmológica) y que no se observa que grave con la magnitud natural de sus campos cuánticos. Además, existen tensiones persistentes entre las sondas del Universo temprano y del tardío, particularmente respecto al parámetro de Hubble $H_0$ y la amplitud de la estructura en tiempos tardíos. Este artículo investiga un marco alternativo donde la aceleración tardía es generada no por un sector de energía oscura o energía de vacío, sino por violaciones controladas de la conservación de la energía-momento derivadas de una teoría de "termogravidad". En este marco, las ecuaciones de Einstein se restringen a su forma libre de traza, haciendo que la energía de vacío sea gravitacionalmente inactiva, mientras que la no conservación de la energía impide la reinstauración de $\Lambda$ como una constante de integración. La cuestión central es si tal no conservación puede impulsar por sí sola la aceleración cósmica sin introducir parámetros de fondo adicionales respecto al modelo $\Lambda$ CDM plano.

Metodología
Los autores analizan dos implementaciones específicas de la teoría de la termogravidad derivada de la Ref. [18], centrándose exclusivamente en el nivel de fondo homogéneo para evitar las complejidades de las perturbaciones en una teoría con ruptura de la invariancia de Lorentz y de la difeomorfismo local.

Modelo Universal: En este benchmark mínimo, todas las especies de materia (bariones, fotones, CDM) participan en la no conservación de la energía. La violación está gobernada por una escala de longitud $L^2$ . Los autores señalan que una violación universal modifica el propio "diccionario observacional" (por ejemplo, las definiciones de redshift, distancia de luminosidad y reglas estándar), lo que dificulta un análisis de fondo autoconsistente. Por consiguiente, prueban este modelo utilizando distancias de supernovas de Tipo Ia (SNe) estándar y mediciones de Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO) no calibradas, reconociendo que la exclusión de este modelo bajo supuestos estándar no necesariamente invalida la teoría en su sentido más amplio.
Modelo Solo-CDM ( $\xi$ CDM): Para lograr un análisis autocontenido, los autores restringen la violación de la no conservación únicamente al sector de la Materia Oscura Fría (CDM). Los bariones, fotones y neutrinos siguen leyes de conservación estándar. Esto preserva el significado operacional estándar de los redshifts de las SNe, las luminosidades, las restricciones de la Nucleosíntesis de Big Bang (BBN) y la regla de las BAO en el nivel de fondo. El modelo se trata como una extensión de un solo parámetro de $\Lambda$ CDM, donde el parámetro $\xi_c \equiv 1/(H_0 L^2)$ cuantifica la fuerza de la creación de energía de la CDM.

El análisis emplea métodos de Monte Carlo por Cadenas de Markov (MCMC) utilizando el muestreador Cobaya. Los conjuntos de datos incluyen:

SNe Ia: Muestras DES Año 5 (DD) y Pantheon+ (PP).
BAO: Mediciones DESI DR2 (no calibradas y calibradas).
Anclajes del Universo Temprano: Restricciones de BBN sobre la densidad bariónica ( $\omega_b$ ) y likelihoods comprimidas del CMB (Planck 2018) para el ángulo de horizonte de sonido $\theta_s$ .
Escalera de Distancias: Restricciones de $H_0$ de SH0ES y $H_0$ DN.

Para el modelo $\xi$ CDM, los autores introducen una densidad de CDM "efectiva" ( $\omega_c^{\text{eff}}$ ) para calibrar correctamente el horizonte de sonido ( $r_{\text{drag}}$ ) y la época de recombinación, teniendo en cuenta que la densidad de la CDM en el pasado difiere de la evolución estándar $a^{-3}$ .

Contribuciones Clave y Resultados

Modelo Universal: La implementación universal es fuertemente desfavorecida por los datos de fondo. Aunque los datos de SNe por sí solos pueden acomodarse, la inclusión de las mediciones de BAO de DESI empeora drásticamente el ajuste ( $\Delta\chi^2 \simeq 51$ relativo a $\Lambda$ CDM). El modelo exhibe una rigidez intrínseca: aumentar la densidad de materia $\Omega_m$ para coincidir con la normalización de BAO en redshift intermedio aumenta simultáneamente el parámetro de deceleración presente ( $q_0 = -1 + 3\Omega_m/2$ ), debilitando así la aceleración actual requerida por las SNe de bajo redshift. Los autores advierten que esta exclusión se aplica a la aplicación estándar del diccionario observacional a una teoría universal, no necesariamente a la invalidez de la propia teoría de la termogravidad, ya que el diccionario requeriría una rederivación en un escenario universal completo.
Modelo $\xi$ CDM: El modelo de solo CDM proporciona un ajuste sistemáticamente mejorado a los conjuntos de datos de fondo considerados.
- Calidad del Ajuste: Logra una reducción de $\chi^2$ de $\Delta\chi^2 = -4.85$ (aprox. $2.2\sigma$ ) relativo a $\Lambda$ CDM para ciertas combinaciones de conjuntos de datos (por ejemplo, DD+DESI).
- Evidencia Bayesiana: El modelo muestra una preferencia Bayesiana positiva, con un $\ln B$ máximo de $2.77$ (aprox. $2.9\sigma$ ) para la combinación DD+DESI.
- Mecanismo: La mejora surge porque la no conservación suprime la tasa de expansión $H(z)$ en el pasado en relación con $\Lambda$ CDM, permitiendo un mejor ajuste a la relación distancia-redshift observada.
- Tensión de Hubble: Crucialmente, el modelo no resuelve la tensión de Hubble. Cuando la regla de las BAO se calibra utilizando información del universo temprano (BBN o CMB), la reducción de la densidad de CDM efectiva en el pasado aumenta el horizonte de sonido ( $r_{\text{drag}}$ ). Dado que las distancias no calibradas restringen estrictamente el producto $r_{\text{drag}}h$ , esto fuerza a $H_0$ hacia valores más bajos, aumentando así la tensión con las calibraciones de la escalera de distancias (por ejemplo, SH0ES).

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma presentar la primera prueba observacional a nivel de fondo del escenario de termogravidad propuesto en la Ref. [18]. Su principal significancia radica en distinguir la viabilidad de diferentes implementaciones de la teoría:

Benchmark Formal: El modelo universal sirve como un benchmark formal. Su fuerte desfavor bajo supuestos estándar resalta la tensión entre la creación universal de materia y la expansión observada, pero los autores enfatizan que esto no es una exclusión física completa de la termogravidad universal, ya que la teoría alteraría fundamentalmente los observables utilizados para probarla.
Alternativa Viable: La implementación de solo CDM ( $\xi$ CDM) se identifica como un objetivo viable, autocontenido y competitivo para futuros análisis. Ofrece un mecanismo concreto para mejorar el ajuste a los datos de expansión de fondo sin añadir parámetros extra más allá de $\Lambda$ CDM.
Limitaciones: Los autores declaran explícitamente que estos resultados son provisionales. El análisis se restringe al fondo homogéneo porque la ruptura de la invariancia de Lorentz local hace que la elección de marco sea físicamente relevante para las perturbaciones. Una evaluación definitiva requiere un tratamiento perturbativo dedicado del CMB, el lensing débil y el crecimiento de la estructura, lo cual se difiere para trabajos futuros.

En conclusión, el artículo demuestra que, si bien una aplicación estándar de la termogravidad es inconsistente con los datos de fondo actuales, restringir la no conservación de la energía al sector oscuro proporciona una extensión fenomenológicamente exitosa de $\Lambda$ CDM que mejora el ajuste a los datos de la historia de expansión, aunque no logra aliviar la tensión de $H_0$ .

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