Os astrofísicos vêm tentando entender a formação de objetos e fenômenos cosmológicos no universo há décadas. Estudos teóricos anteriores sugerem que flutuações quânticas no universo primordial, conhecidas como difusão quântica primordial, poderiam ter dado origem aos chamados buracos negros primordiais.

Em um artigo publicado na Physical Review Letters , pesquisadores do Niels Bohr Institute, Universidad Autónoma de Madrid e CNRS Université de Paris recentemente exploraram a possibilidade de que essas flutuações também possam afetar a criação de estruturas cosmológicas ainda maiores, como aglomerados de galáxias pesados ??como "El Gordo." El Gordo é o maior aglomerado de galáxias distantes já observado usando telescópios existentes, que foi capturado pela primeira vez há mais de 10 anos.

“A questão de como a estrutura se formou no universo pode ser uma das mais antigas, mas desde o início dos anos 1980 ganhou uma nova dimensão”, disse Jose María Ezquiaga, um dos pesquisadores que realizaram o estudo. “Na época, os cientistas perceberam a incrível conexão entre as menores e as maiores escalas, nas quais as flutuações quânticas no universo primordial são esticadas por uma inflação cósmica para semear a formação de galáxias e estruturas de grande escala no universo”.

Depois que os físicos começaram a aprender mais sobre as conexões entre o início e o final do universo, a ideia de que os buracos negros poderiam ser formados no início do universo começou a surgir. Em 2015, as primeiras observações de fusões de buracos negros via ondas gravitacionais renovaram o interesse nesta área, provocando novos estudos teóricos com foco na origem primordial dos buracos negros.

“Juan, Vincent e eu estávamos investigando a formação de buracos negros primordiais no início do universo”, disse Ezquiaga. "Nossa principal contribuição foi perceber que, quando as flutuações quânticas dominam a dinâmica da inflação cósmica, isso leva a um espectro de flutuações de densidade não gaussianas, com caudas exponenciais pesadas. Em outras palavras, a difusão quântica torna mais fácil gerar grandes flutuações que entraria em colapso em um buraco negro primordial."

Depois de estudar buracos negros primordiais no início do universo, Ezquiaga e seus colegas Vincent Vennin e Juan Garcia-Bellido começaram a se perguntar se o mesmo mecanismo subjacente à sua formação, ou seja, uma cauda não gaussiana aprimorada na distribuição de perturbações primordiais, também poderia levar à formação de outras estruturas cosmológicas muito grandes. Em seu trabalho recente, eles exploraram especificamente a possibilidade de que esse mecanismo afete o colapso de objetos maiores, como halos de matéria escura, que mais tarde hospedarão galáxias e grupos de galáxias.

“A formação de objetos maiores no início da história do universo pode ajudar a aliviar algumas tensões entre as observações e nosso modelo cosmológico padrão”, explicou Ezquiaga. “Por exemplo, sob suposições padrão, aglomerados maciços como El Gordo podem parecer discrepantes, enquanto a difusão quântica os torna naturais”.

Como parte de seu estudo recente, Ezquiaga e seus colegas calcularam a função de massa do halo e a abundância de aglomerados como uma função do desvio para o vermelho na presença de caudas exponenciais pesadas. Isso permitiu que eles determinassem se a difusão quântica poderia aumentar o número de grandes aglomerados de galáxias, esgotando os halos de matéria escura .

“Como a gravidade é sempre atrativa, as inomogeneidades só crescerão à medida que as superdensidades atrairem massa para seus arredores e as subdensidades se tornarem mais vazias”, disse Ezquiaga. "A questão é se as heterogeneidades no universo primitivo são grandes e frequentes o suficiente para levar ao colapso gravitacional necessário para explicar as estruturas observadas no cosmos. Dada uma distribuição inicial de perturbações, basta apertar 'play' e deixar o sistema evoluir gravitacionalmente, em nosso caso, tínhamos um entendimento prévio da distribuição das perturbações iniciais ao incluir a difusão quântica, então nosso trabalho neste trabalho foi parametrizar de forma adequada este espectro e analisar os resultados para o número de aglomerados massivos como uma função de desvio para o vermelho."

O artigo dos pesquisadores sugere que as flutuações quânticas no início do universo podem não apenas estar por trás da formação de galáxias de tamanho médio e buracos negros primordiais, mas também de enormes aglomerados de galáxias, como os fascinantes “El Gordo” e os aglomerados de Pandora. Isso significaria que as observações atuais de aglomerados de galáxias poderiam ser explicadas usando teorias existentes, sem a necessidade de incorporar nova física no modelo padrão.

"O outro resultado muito empolgante do nosso trabalho é que ele prevê assinaturas únicas que podem ser testadas em um futuro próximo", disse Ezquiaga. “Em particular, demonstramos que a difusão quântica não apenas facilita a formação de aglomerados pesados, mas também que a quantidade de subestrutura deve ser menor do que o esperado”.

O aumento simultâneo de estruturas cosmológicas massivas e o esgotamento de subestruturas (ou seja, halos) não é previsto por outros modelos teóricos. No entanto, esta explicação teórica potencial para a formação de grandes aglomerados de galáxias parece estar alinhada com observações cosmológicas recentes e também poderia potencialmente resolver outras deficiências do modelo padrão.

Em seus próximos estudos, Ezquiaga e seus colegas gostariam de pintar um quadro mais completo das estruturas do universo e sua formação. Em última análise, isso também poderia ajudar a investigar completamente as previsões da difusão quântica.

“O próximo passo para nós é testar totalmente as previsões deste modelo em relação às observações”, acrescentou Ezquiaga. "Felizmente, há muitas novas observações que podemos usar. Em particular, as observações muito recentes do Telescópio Espacial James Webb parecem indicar que há muito mais galáxias massivas em alto redshift, algo naturalmente alinhado com nossas previsões, mas estamos esperando para os astrônomos entenderem completamente sua sistemática e confirmarem essa população 'inesperada'. As outras observações que podem ser interessantes para nós são contagens de número de galáxias anãs com levantamentos de galáxias como o Dark Energy Survey e restrições em subhalos de lentes fortes."