El Hubble y Gaia se unen para crear un desajuste cósmico

Usando dos de los más poderosos telescopios espaciales — el Hubble de la NASA y Gaia de la ESA   — los astrónomos han realizado las mediciones más precisas hasta la fecha del valor de expansión del Universo. Este se calcula calibrando las distancias entre las galaxias cercanas usando un tipo especial de estrellas llamadas Cefeidas variables a modo de varas de medir. Con la comparación de sus brillos intrínsecos medidos por el Hubble, con la magnitud aparente vistas desde la Tierra, los científicos han podido calcular sus distancias. Gaia afina más esta vara de medir, midiendo geométricamente las distancias a las Cefeidas variables en nuestra galaxia. Esto permite a los astrónomos calibrar con precisión las distancias a las Cefeidas que se en galaxias externas. Crédito: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Empleando el poder y la sinergia de dos telescopios espaciales, los astrónomos han sacado el mejor partido de las más precisas mediciones hasta la fecha del valor de la expansión del Universo. 

Los resultados alimentan aún más el desajuste entre las mediciones para el valor de la expansión del Universo cercano, y las del distante y primordial Universo — anterior incluso a la existencia de las estrellas y galaxias. 

Esta llamada “tensión” implica que podría haber una nueva física subyacente en relación a los cimientos del Universo. Las posibilidades incluyen la fuerza de interacción de la materia oscura y la energía oscura siendo incluso algo más exótico de lo que se preveía, o incluso de una nueva partícula en la fábrica del espacio. 

Cambiando las observaciones del Telescopio Espacial de la NASA Hubble y el del Observatorio Espacial Gaia la Agencia europea Espacial (ESA), los astrónomos han refinado el valor anterior de la constante de Hubble, un valor en el que el Universo se está expandiendo desde el Big Bang hace 13,8 billones de años. 

Pero mientras las mediciones se han hecho más precisas, las averiguaciones del equipo de la constante de Hubble se han hecho más contradictorias con respecto a otras mediciones procedentes de otro observatorio espacial, la Misión Planck de la ESA, la cual está aportando una serie de valores previstos para la constante de Hubble. 

Plank topografío el Universo primordial como se mostraba con tan solo 360.000 años tras el Big Bang. Todo el firmamento está impregnado con la forma del Big Bang codificado en microondas. Planck midió los tamaños de las ondas en esta radiación de fondo de microondas (en inglés, cosmic microwave background o CMB) que eran causadas por pequeñas irregularidades en la gran bola de fuego del Big Bang. El fino detalle de estas ondas encierra cuanta materia oscura y materia normal hay, la dirección del Universo en ese momento, y otros parámetros cosmológicos.

Radiación de fondo de microondas por (CMB) observada por Planck. Wikipedia.    

Dichas mediciones, aún están siendo consideradas, permitiendo a los científicos predecir cómo habría evolucionado el Universo temprano con el valor de expansión que tenemos en la actualidad. Sin embargo, tales predicciones no parecen están en sintonía con las nuevas mediciones de nuestro Universo contemporáneo. 

“Con la incorporación de estos nuevos datos de Gaia y el Telescopio Espacial Hubble, tenemos ahora una seria tensión con los datos de la radiación de fondo” dijo George Efstathiou líder analista del Kavli Institute for Cosmology en Cambridge, Inglaterra y miembro de Planck, quien no estaba involucrado en las nuevas mediciones. 

“La tension parece haber crecido en una total incompatibilidad entre nuestra vision del universe temprano y el mas tardio,” dijo el lider del equipo y premio Nobel Adam Riess del the Space Telescope Science Institute y the Johns Hopkins University en Baltimore, Maryland. “En estos momentos, claramente no se trata de un error grave en cualquier ade las medicioens. Es como si predices la altura que tendrá un niño por medio de un cuadro de crecimiento y luego encuentras que el adulto ha crecido más allá de la predicción. Estamos muy perplejos.” 

En 2005, Riess y miembros de equipo SHOES (Supernova H0 for the Equation of State) se propusieron medir el valor de la expansión del Universo con una precisión sin precedentes. En los siguientes años, refinados sus técnicas, este equipo depuró las incertidumbres del valor de expansión en unos niveles sin precedente. Ahora, con el poder del Hubble y de Gaia combinados, han sido capaces de reducir esa incertidumbre a tan solo un 2,2 por ciento, 

Debido a que el valor de la constante de Hubble es necesario para la estimación de la edad de Universo, la anticipada respuesta es uno de los valores cosmológicos más importantes. Esta toma el nombre del astrónomo Edwin Hubble, quien hace casi un siglo descubrió que el Universo se expandía uniformemente en todas las direcciones — una revelación que dio origen al nacimiento de la cosmología moderna. 

Las galaxias parecen estar alejándose de la Tierra proporcionalmente a sus distancias, lo que quiere decir que cuanto más lejos están, más lejos parecen moverse y alejarse. Esto es una consecuencia de la expansión del espacio, y no un valor verdadero de la velocidad real. Con la medición del valor de la constante de Hubble en el tiempo, los astrónomos pueden reconstruir una visión de nuestra evolución cósmica, y sacar conclusiones de la constitución del mismo, descubriendo pistas sobre el futuro de este. 

Los dos métodos principales para medir este número dan resultados incompatibles. Una forma es la medición directa, construyendo una "escalera de distancias” cósmicas por medio de mediciones de estrellas en nuestro universo local. El otro método es usar el CMB para medir la trayectoria del universo poco después del Big Bang usando luego la física para describir el Universo y extrapolarlo a los valores de expansión del día de hoy. Juntos, estas mediciones podrían aportar un test de principio al fin para un entendimiento básico del llamado “modelo estándar” del Universo. Sin embargo, las piezas no encajan. 

Escalera de distancias cósmicas. Wikipedia.  

Empleando el Hubble y nuevas mediciones recientes de Gaia, el equipo de Riess ha medido el valor actual de la expansión en 73,5 kilómetros por segundo (45,6 millas) por megaparsec. Esto significa que por cada 3,3 millones de años luz que este de lejos una galaxia de nosotros, parecería moverse a 73,5 kilómetros por segundo de rápido. Sin embargo, los resultados de Planck predicen que le Universo a día de hoy solo debería de estar expandiéndose a razón de 67,0 kilómetros por segundo (41,6 millas) por megaparsec. Mientras que las mediciones del equipo se han hecho cada vez más precisas, la brecha entre ambas continúa abriéndose, siendo en la actualidad en torno a cuatro veces el tamaño de sus incertidumbres combinadas. 

A lo largo de los años, el equipo de Riess ha redefinido el valor de la constante de Hubble con racionalización y el refuerzo de la “escalera de distancias,” usadas para la medición de la extensión de la luz de las galaxias próximas. Empleando la velocidad de salida aparente a cada distancia, pudiendo así calcular la constante de Hubble. 

Para calibrar las distancias entre las galaxias cercanas, su equipo empleó un tipo especial de estrellas a modo de vara de medir galáctica o marcadores. Estas estrelles pulsantes se las conoce como Cefeidas variables, las cuales se vuelven brillantes y se vuelven a apagar con valores constantes correspondientes a sus brillo intrínseco. Comparando sus brillos intrínsecos con sus magnitudes aparentes vistas desde la Tierra, los investigadores pueden calcular sus distancias. 

Gaia ha redefinido aún más esta vara de medir por medio de geométricamente medir las distancias a 50 Cefeidas variables en la Vía Láctea. Estas mediciones se combinaron con mediciones precisas de su brillo por medio del Hubble. Esto ha permitido a los astrónomos una más precisa calibración de las cefeidas y así poder usarlas en las que se ven fuera de la Vía Láctea a modo de indicadores. 

“Cuando usas Cefeidas, necesitas ambas cosas, distancias y brillo,” explicó Riess. El Hubble ha aportado la información en cuanto al brillo, y Gaia a apartado la información necesaria para la paralaje en medición precisa para determinar las distancias. El Paralaje es el cambio aparente en la posición de un objeto debido al desplazamiento en la posición del punto de observación de un usuario. Los antiguos griegos fueron los primeros en usar esta técnica para medir la distancia entre la Tierra y la Luna. 

Desplazamiento de la paralaje estelar producto de paralaje anual. Wikipedia. 

“el Hubble es realmente increíble a modo de multi-observatorio general, pero Gaia es el nuevo estándar dorado para la calibración de distancias. Esta hecho a conciencia para la medición de la paralaje—para eso se ha disñeado.” Añadió Stefano Casertano del Space Telescope Science Institute y miembro de SHOES. “Gaia aporta una nueva habilidad para recalibrar todas las mediciones de distancias de pasado, y parece confirmar nuestro trabajo anterior. Obtenemos la misma respuesta para la constante de Hubble y reemplazamos las calibraciones previas de la escalera cósmica que con las paralajes de Gaia. Esto es una verificación por distintos modos entre dos poderosos y precisos observatorios. 

El objetivo del equipo de Riess es trabajar con Gaia para cerrar el límite del ajuste de la constante de Hubble en un valor de tan solo un uno por ciento para principios de 2020. Mientras tanto, es posible que los astrofísicos continúen revisitando sus ideas acerca de la física del Universo temprano. 

El equipo de Riess publicó sus últimos averiguaciones en la edición del 12 de julio en Astrophysical Journal. 

Fuentes: NASA, Wikipedia,