La nueva medición de la constante de Hubble incrementa el misterio de la tasa de expansión del universo

Galaxias seleccionadas de un programa del Telescopio Espacial Hubble para medir la tasa de expansión del universo. Créditos: NASA, ESA, W. Freedman (Universidad de Chicago), ESO y la encuesta del cielo digitalizado.

Los astrónomos han hecho una nueva medición de lo rápido qué se está expandiendo el universo, utilizando un tipo de estrella completamente diferente a los esfuerzos anteriores. La medición revisada, que proviene del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, cae en el centro de una cuestión muy debatida en astrofísica que puede conducir a una nueva interpretación de las propiedades fundamentales del universo. 

Los científicos han sabido durante casi un siglo que el universo se está expandiendo, lo que significa que la distancia entre las galaxias en todo el universo es cada vez más vasta. Pero exactamente a qué velocidad se está estirando el espacio, un valor conocido como la constante de Hubble, se ha mantenido obstinadamente esquivo. 

Ahora, la profesora de la Universidad de Chicago Wendy Freedman y sus colegas tienen una nueva medida de la tasa de expansión en el universo moderno, lo que sugiere que el espacio entre las galaxias se está extendiendo más rápido de lo que los científicos podrían esperar. El estudio de Freedman es uno de varias investigaciones recientes que apuntan a una discrepancia persistente entre las mediciones de la expansión moderna y las predicciones basadas en el universo como lo fue hace más de 13 mil millones de años, según lo medido por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea. 

A medida que más investigaciones apuntan a una discrepancia entre las predicciones y las observaciones, los científicos están considerando si pueden necesitar un nuevo modelo para la física subyacente del universo para explicarlo. 

Estas galaxias se seleccionan de un programa del Telescopio Espacial Hubble para medir la tasa de expansión del universo, llamada la constante de Hubble. El valor se calcula comparando las distancias de las galaxias con la tasa aparente de recesión lejos de la Tierra (debido a los efectos relativistas de la expansión del espacio). Al comparar el brillo aparente de las estrellas gigantes rojas de las galaxias con los gigantes rojos cercanos, cuyas distancias se midieron con otros métodos, los astrónomos pueden determinar a qué distancia están cada una de las galaxias anfitrionas. Esto es posible porque los gigantes rojos son marcadores de hitos confiables porque todos alcanzan el mismo brillo máximo en su evolución tardía. Y, esto puede ser usado como una "vela estándar" para calcular la distancia. Hubble La exquisita nitidez y la sensibilidad permitieron que se encontraran gigantes rojos en los halos estelares de las galaxias anfitrionas. Los gigantes rojos fueron buscados en los halos de las galaxias. La fila central muestra el campo de visión completo del Hubble. La fila inferior se aleja aún más en los campos del Hubble. Los gigantes rojos son identificados por círculos amarillos. Créditos: NASA, ESA, W. Freedman (Universidad de Chicago), ESO y la encuesta del cielo digitalizado.

"La constante de Hubble es el parámetro cosmológico que establece la escala absoluta, el tamaño y la edad del universo; es una de las formas más directas que tenemos de cuantificar cómo evoluciona el universo", dijo Freedman. "La discrepancia que vimos antes no ha desaparecido, pero esta nueva evidencia sugiere que el jurado aún está deliberando sobre si hay una razón inmediata y convincente para creer que hay algo fundamentalmente defectuoso en nuestro modelo actual del universo". 

En un nuevo artículo aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal, Freedman y su equipo anunciaron una nueva medición de la constante de Hubble utilizando una especie de estrella conocida como gigante roja. Sus nuevas observaciones, realizadas utilizando Hubble, indican que la tasa de expansión para el universo cercano es de poco menos de 70 kilómetros por segundo por megaparsec (km / seg / Mpc). Un parsec es equivalente a 3,26 años luz de distancia. 

Esta medida es ligeramente más pequeña que el valor de 74 km / s / Mpc recientemente informado por el equipo del Hubble SH0ES (Supernovae H0 para la Ecuación del Estado) que utiliza variables Cefeidas, que son estrellas que pulsan a intervalos regulares que corresponden a su brillo máximo. Este equipo, liderado por Adam Riess de la Universidad Johns Hopkins y el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial de Baltimore, Maryland, informó recientemente que refinó sus observaciones con la mayor precisión hasta la fecha para su técnica de medición de la distancia de las Cefeidas. 

Cómo medir la expansión 

Un desafío central en la medición de la tasa de expansión del universo es que es muy difícil calcular con precisión distancias a objetos distantes. 

En 2001, Freedman dirigió un equipo que usó estrellas distantes para realizar una medición histórica de la constante del Hubble. El equipo del Proyecto clave del Telescopio Espacial Hubble midió el valor utilizando variables Cefeidas como marcadores de distancia. Su programa concluyó que el valor de la constante de Hubble para nuestro universo era de 72 km / s / Mpc. 

Pero más recientemente, los científicos adoptaron un enfoque muy diferente: construir un modelo basado en la estructura ondulante de la luz que quedó del big bang, que se denomina radiación de fondo de microondas. Las mediciones de Planck les permiten a los científicos predecir cómo el universo temprano probablemente se habría convertido en la tasa de expansión que los astrónomos pueden medir hoy. Los científicos calcularon un valor de 67,4 km / seg / Mpc, en desacuerdo significativo con la tasa de 74,0 km / seg / Mpc medida con estrellas Cefeidas. 

Radiación de fondo de microondas. Crédito: NASA / WMAP Science Team

Los astrónomos han buscado cualquier cosa que pueda estar causando el desajuste. "Naturalmente, surgen dudas sobre si la discrepancia proviene de algún aspecto que los astrónomos aún no comprenden sobre las estrellas que estamos midiendo, o si nuestro modelo cosmológico del universo aún está incompleto", dijo Freedman. "O tal vez ambos necesitan ser mejorados". 

El equipo de Freedman trató de verificar sus resultados estableciendo un camino nuevo e completamente independiente hacia la constante de Hubble utilizando un tipo de estrella completamente diferente. 

Ciertas estrellas terminan sus vidas como una clase muy luminosa llamada gigante roja, una etapa de evolución en la que nuestro Sol experimentará miles de millones de años a partir de ahora. En cierto punto, la estrella sufre un evento catastrófico llamado flash de helio, en el que la temperatura aumenta a unos 100 millones de grados y la estructura de la estrella se reorganiza, lo que en última instancia disminuye dramáticamente su luminosidad. Los astrónomos pueden medir el brillo aparente de las estrellas gigantes rojas en esta etapa en diferentes galaxias, y pueden usar esto como una forma de determinar su distancia. 

La constante de Hubble se calcula comparando los valores de distancia con la velocidad recesiva aparente de las galaxias objetivo, es decir, a qué velocidad parecen alejarse las galaxias. Los cálculos del equipo dan una constante de Hubble de 69.8 km / seg / Mpc, que abarca los valores derivados de los equipos de Planck y Riess. 

"Nuestra idea inicial fue que, si hay un problema que resolver entre las Cefeidas y el Fondo de Microondas Cósmico, entonces el método de la gigante roja puede ser el factor de ruptura", dijo Freedman. 

Pero los resultados no parecen favorecer fuertemente una respuesta sobre la otra, dicen los investigadores, aunque se alinean más estrechamente con los resultados de Planck. 

La próxima misión de la NASA, el Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), que se lanzará a mediados de la década de 2020, permitirá a los astrónomos explorar mejor el valor de la constante de Hubble a través del tiempo cósmico. WFIRST, con su resolución similar al Hubble y su vista del cielo 100 veces mayor, proporcionará una gran cantidad de nuevas supernovas de Tipo Ia, variables de Cepheid y estrellas rojas gigantes para mejorar fundamentalmente las mediciones de distancia a galaxias cercanas y lejanas. 

Fuente: NASA/Goddard Space Flight Center