El misterio de la tasa de la tasa de expansión del Universo crece con nuevos datos del Hubble

Esta es una visión de un telescopio terrestre de la Gran Nube de Magallanes, una galaxia satélite de nuestra Vía Láctea. La imagen del recuadro, tomada por el Telescopio Espacial Hubble, revela uno de los muchos cúmulos de estrellas dispersos por toda la galaxia enana. Los miembros del grupo incluyen una clase especial de estrella pulsante llamada variable Cefeida, que se ilumina y se atenúa a una velocidad predecible que corresponde a su brillo intrínseco. Una vez que los astrónomos determinan ese valor, pueden medir la luz de estas estrellas para calcular una distancia precisa a la galaxia. Cuando las nuevas observaciones del Hubble se correlacionan con una técnica de medición de la distancia independiente a la Gran Nube de Magallanes (utilizando una trigonometría directa), los investigadores pudieron fortalecer la base de la llamada "escalera de distancia cósmica". Este "ajuste fino" ha mejorado significativamente la precisión de la velocidad a la que el universo se está expandiendo, llamada la constante de Hubble. Créditos: NASA, ESA, A. Riess (STScI / JHU) y Palomar Digitized Sky Survey

Astrónomos usando el Telescopio Espacial Hubble de la NASA dicen que han cruzado un umbral importante al revelar una discrepancia entre las dos técnicas clave para medir la tasa de expansión del universo. El estudio reciente refuerza el caso de que pueden ser necesarias nuevas teorías para explicar las fuerzas que han dado forma al cosmos. 

Un breve resumen: El universo se está agrandando cada segundo. El espacio entre las galaxias se estira, como la masa que se expande en el horno. ¿Pero que rápido se está expandiendo el universo? Cuando el Hubble y otros telescopios tratan de responder a esta pregunta, se han encontrado con una diferencia intrigante entre lo que los científicos predicen y lo que observan. 

Las mediciones del Hubble sugieren una tasa de expansión más rápida en el universo moderno de lo esperado, en función de cómo apareció el universo hace más de 13 mil millones de años. Estas mediciones del universo primitivo provienen del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea. Esta discrepancia se ha identificado en artículos científicos en los últimos años, pero no está claro si las diferencias en las técnicas de medición son las culpables, o si la diferencia podría deberse a mediciones desafortunadas. 

Los últimos datos del Hubble reducen la posibilidad de que la discrepancia sea solo una casualidad de 1 en 100.000. Esta es una ganancia significativa de una estimación anterior, hace menos de un año, de una posibilidad de 1 en 3.000. 

Estas, las mediciones más precisas del Hubble hasta la fecha refuerzan la idea de que se podría ser necesario una nueva física para explicar el desajuste. 

"La tensión del Hubble entre el universo temprano y el más tardío puede ser el desarrollo más emocionante en cosmología en décadas", dijo el investigador principal y premio Nobel Adam Riess, del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) y la Universidad Johns Hopkins, en Baltimore, Maryland. "Este desajuste ha ido creciendo y ahora ha llegado a un punto que es realmente imposible de descartar como una casualidad. Esta disparidad no podría ocurrir de manera plausible". 

Apretando los tornillos en la 'escalera de distancia cósmica' 

Los científicos usan una "escalera de distancia cósmica" para determinar lo lejos que están las cosas en el universo. Este método depende de realizar mediciones precisas de las distancias a las galaxias cercanas y luego moverse hacia las galaxias más y más lejos, utilizando sus estrellas como marcadores de hito. Los astrónomos usan estos valores, junto con otras mediciones de la luz de las galaxias que se enrojecen a medida que pasa por un universo de estiramiento, para calcular lo rápido que se expande el cosmos con el tiempo, un valor conocido como la constante de Hubble. Riess y su equipo SH0ES (Supernovae H0 para la ecuación de estado) han estado en una búsqueda desde 2005 para refinar esas mediciones de distancia con Hubble y ajustar la constante de Hubble. 

En este nuevo estudio, los astrónomos usaron el Hubble para observar 70 estrellas pulsantes llamadas variables Cefeidas en la Gran Nube de Magallanes. Las observaciones ayudaron a los astrónomos a "reconstruir" la escala de la distancia al mejorar la comparación entre las Cefeidas y sus primos más distantes en los anfitriones galácticos de supernovas. El equipo de Riess redujo la incertidumbre en su valor constante de Hubble a 1,9% de una estimación anterior de 2,2%. 

A medida que las mediciones del equipo se han vuelto más precisas, su cálculo de la constante de Hubble se ha mantenido en desacuerdo con el valor esperado derivado de las observaciones de la expansión del universo temprano. Esas mediciones fueron hechas por Planck, traza un mapa del fondo cósmico de microondas, la reliquia de un resplandor de 380.000 años después del Big Bang. 

Las mediciones se han examinado exhaustivamente, por lo que los astrónomos no pueden descartar la brecha entre los dos resultados debido a un error en cualquier medición o método. Ambos valores han sido probados de múltiples maneras. 

"Esto no son solo dos experimentos en desacuerdo", explicó Riess. "Estamos midiendo algo fundamentalmente diferente. Una es una medida lo rápido qué se está expandiendo el universo hoy, tal como lo vemos. La otra es una predicción basada en la física del universo primitivo y en las mediciones lo rápido qué debe expandirse "Si estos valores no concuerdan, existe una gran probabilidad de que nos falte algo en el modelo cosmológico que conecta las dos eras". 

Cómo se realizó el nuevo estudio. 

Los astrónomos han estado utilizando las variables Cefeidas como criterios cósmicos para medir las distancias intergalácticas cercanas durante más de un siglo. Pero tratar de cosechar un puñado de estas estrellas fue tan lento como para ser casi inalcanzable. Por lo tanto, el equipo empleó un nuevo e inteligente método, llamado DASH (Drift And Shift), que utiliza el Hubble como una cámara de "apuntar y disparar" para capturar imágenes rápidas de las estrellas pulsantes extremadamente brillantes, lo que elimina la necesidad de tiempo necesario apuntando. 

Esta ilustración muestra los tres pasos básicos que los astrónomos usan para calcular qué tan rápido se expande el universo con el tiempo, un valor llamado constante de Hubble. Todos los pasos implican construir una fuerte "escalera de distancia cósmica", comenzando con la medición de distancias precisas a las galaxias cercanas y luego moviéndose a las galaxias más y más lejos. Esta "escalera" es una serie de mediciones de diferentes tipos de objetos astronómicos con un brillo intrínseco que los investigadores pueden usar para calcular distancias. Entre las más confiables para distancias más cortas se encuentran las variables Cefeidas, las estrellas que pulsan a tasas predecibles que indican su brillo intrínseco. Los astrónomos utilizaron recientemente el Telescopio Espacial Hubble para observar 70 variables Cefeidas en la cercana Gran Nube de Magallanes para realizar la medición de la distancia más precisa a esa galaxia. Los astrónomos comparan las medidas de las Cefeidas cercanas con las de las galaxias más lejanas que también incluyen otra vara cósmica, las estrellas explosivas llamadas supernovas de Tipo Ia. Estas supernovas son mucho más brillantes que las variables Cefeidas. Los astrónomos los usan como "marcadores de hito" para medir la distancia de la Tierra a las galaxias remotas. Cada uno de estos marcadores se basa en el paso anterior en la "escalera". Al extender la escalera utilizando diferentes tipos de marcadores de hito confiables, los astrónomos pueden alcanzar distancias muy grandes en el universo. Los astrónomos comparan estos valores de distancia con las mediciones de la luz de una galaxia entera, que se enrojece cada vez más con la distancia, debido a la expansión uniforme del espacio. Los astrónomos pueden calcular qué tan rápido se está expandiendo el cosmos: la constante de Hubble. Créditos: NASA, ESA y A. Feild (STScI)

"Cuando el Hubble utiliza el apuntamiento preciso al bloquearse en las estrellas guía, solo puede observar una Cefeida por cada órbita del Hubble de 90 minutos alrededor de la Tierra. Por lo tanto, sería muy costoso para el telescopio observar cada Cefeida", explicó el miembro del equipo Stefano Casertano. También de STScI y Johns Hopkins. "En su lugar, buscamos grupos de Cefeidas lo suficientemente cerca entre sí para que pudiéramos movernos entre ellos sin recalibrar el telescopio apuntando. Estas Cefeidas son tan brillantes que solo necesitamos observarlas durante dos segundos. Esta técnica nos permite observar una docena de Cefeidas por la duración de una órbita. Por lo tanto, nos mantenemos en control del giroscopio y seguimos haciendo 'DASHing' muy rápidamente ". 

Los astrónomos del Hubble luego combinaron su resultado con otro conjunto de observaciones, realizadas por el Proyecto Araucaria, una colaboración entre astrónomos de instituciones en Chile, los Estados Unidos y Europa. Este grupo realizó mediciones de distancia a la Gran Nube de Magallanes al observar la atenuación de la luz a medida que una estrella pasa frente a su compañero en sistemas de estrellas binarias eclipsantes. 

Las medidas combinadas ayudaron al equipo de SH0ES a refinar el verdadero brillo de las Cefeidas. Con este resultado más preciso, el equipo podría "apretar los pernos" del resto de la escalera de distancia que se extiende más profundamente en el espacio. 

La nueva estimación de la constante de Hubble es de 74 kilómetros (46 millas) por segundo por megaparsec. Esto significa que por cada 3,3 millones de años luz más lejos, una galaxia es de nosotros, parece que se está moviendo 74 kilómetros (46 millas) por segundo más rápido, como resultado de la expansión del universo. El número indica que el universo se está expandiendo a un ritmo un 9% más rápido que la predicción de 67 kilómetros (41,6 millas) por segundo por megaparsec, que proviene de las observaciones de Planck del universo temprano, junto con nuestra comprensión actual del universo. 

Entonces, ¿qué podría explicar esta discrepancia? 

Una explicación para el desajuste implica una aparición inesperada de energía oscura en el universo joven, que se cree que ahora comprende el 70% de los contenidos del universo. Propuesto por los astrónomos en Johns Hopkins, la teoría se denomina "energía oscura temprana" y sugiere que el universo evolucionó como una obra de tres actos. 

Los astrónomos ya han planteado la hipótesis de que la energía oscura existió durante los primeros segundos después del Big Bang y empujó la materia en todo el espacio, comenzando la expansión inicial. La energía oscura también puede ser la razón de la expansión acelerada del universo actual. La nueva teoría sugiere que hubo un tercer episodio de energía oscura poco después del Big Bang, que expandió el universo más rápido de lo que los astrónomos habían predicho. La existencia de esta "energía oscura temprana" podría explicar la tensión entre los dos valores constantes de Hubble, dijo Riess. 

Otra idea es que el universo contiene una nueva partícula subatómica que viaja cerca de la velocidad de la luz. Dichas partículas rápidas se denominan colectivamente "radiación oscura" e incluyen partículas previamente conocidas como los neutrinos, que se crean en reacciones nucleares y desintegraciones radiactivas. 

Otra posibilidad atractiva es que la materia oscura (una forma invisible de la materia que no está formada por protones, neutrones y electrones) interactúa más fuertemente con la materia normal o la radiación de lo que se supone anteriormente. 

Pero la verdadera explicación sigue siendo un misterio. 

Riess no tiene una respuesta a este problema molesto, pero su equipo continuará usando el Hubble para reducir las incertidumbres en la constante del Hubble. Su objetivo es reducir la incertidumbre al 1%, lo que debería ayudar a los astrónomos a identificar la causa de la discrepancia. 

Fuente: NASA/Goddard Space Flight Center,