Las nuevas mediciones del telescopio espacial Hubble sugieren que el universo se está expandiendo más rápido de lo que predicen los modelos científicos, lo que sugiere que algún componente desconocido puede estar trabajando en el universo. Este es uno de los mayores enigmas de la astronomía moderna. Basado en múltiples observaciones de estrellas y galaxias, el universo parece estar moviéndose más rápido de lo que predicen nuestros mejores modelos del universo.
La evidencia del enigma se ha ido acumulando durante años, lo que llevó a algunos investigadores a llamarlo una crisis inminente en la cosmología.
Ahora, un equipo de investigadores que utiliza el telescopio espacial Hubble ha compilado un enorme conjunto de datos nuevos y han encontrado una probabilidad de uno en un millón de que la diferencia sea una casualidad estadística. En otras palabras, ahora parece más probable que haya algunos ingredientes fundamentales en el universo o algunos efectos inesperados de ingredientes conocidos que los astrónomos aún tienen que precisar.
“El universo parece tener muchas sorpresas para nosotros, lo cual es bueno porque nos ayuda a aprender”, dijo el astrónomo Adam Riess de la Universidad Johns Hopkins.
Este rompecabezas astronómico se conoce como la tensión de Hubble, llamada así por el astrónomo Edwin Hubble. En 1929, observó que una galaxia retrocedía más rápido cuanto más lejos estaba de nosotros, una observación que ayudó a allanar el camino para nuestra concepción actual del universo que comenzó con el Big Bang y siguió expandiéndose.
Los investigadores han tratado de medir la tasa de expansión actual del universo de dos formas principales: midiendo las distancias a las estrellas cercanas y mapeando el tenue resplandor que se remonta al universo naciente. Estos enfoques duales proporcionan una forma de probar nuestra comprensión del universo a lo largo de sus más de 13 mil millones de años de historia cósmica. El estudio también descubrió algunos ingredientes cósmicos clave, como la “energía oscura”, la fuerza misteriosa que se cree que impulsa la expansión acelerada del universo.
Pero los dos enfoques divergen en aproximadamente un 8 por ciento en la tasa de expansión actual del universo. La diferencia puede no parecer mucha, pero si es real, significa que el universo ahora se está expandiendo incluso más rápido de lo que la energía oscura puede explicar, lo que significa que nuestra contabilidad humana del universo plantea algunos problemas.
Los investigadores, que describieron sus hallazgos en varios estudios presentados a The Astrophysical Journal la semana pasada, utilizaron tipos específicos de estrellas y explosiones estelares para medir la distancia entre nosotros y las galaxias cercanas. El conjunto de datos incluye observaciones de 42 explosiones estelares diferentes, que es más del doble del siguiente análisis más grande de este tipo. Según el trabajo del equipo, la tensión entre su nuevo análisis y las mediciones del universo primitivo ha llegado a cinco sigma.
Pero otros astrónomos aún ven un posible margen de error en los datos, lo que significa que la tensión del Hubble aún podría ser una propuesta falsa.
El miembro del equipo Dan Scolnic, astrónomo de la Universidad de Duke, dijo: “No sé cómo se esconde un error tan grande en este momento, y si es así, es algo que nadie ha encontrado. Hemos revisado todo lo que está ven a nosotros La idea presentada, nada puede hacer eso “.
Las microondas cósmicas y la escala de distancias
La tensión de Hubble proviene de un intento de medir o predecir la tasa de expansión actual del universo, que se conoce como la constante de Hubble. Usándolo, los astrónomos pueden estimar la edad del universo desde el Big Bang.
Una forma de obtener la constante de Hubble es confiar en el fondo cósmico de microondas (CMB), el tenue brillo que se formó cuando el universo tenía solo 380 000 años. Telescopios como el Observatorio Planck de la ESA han medido el CMB y han proporcionado una instantánea detallada de cómo se distribuían la materia y la energía en el universo primitivo y la física que las gobernaba.
Al utilizar un modelo que ha predicho con éxito muchas propiedades del universo, el modelo Lambda de materia oscura fría, los cosmólogos pueden adelantar matemáticamente el universo naciente que se ve en el CMB y predecir cuál debería ser la constante de Hubble hoy. Este método predice que el universo debería expandirse a una velocidad de 67,36 km/s/megaparsec.
Por el contrario, otros equipos han medido la constante de Hubble observando el universo “local”: estrellas y galaxias modernas que están relativamente cerca de nosotros. Esta versión del cálculo requiere dos tipos de datos: la velocidad a la que una galaxia se aleja de nosotros y la distancia entre esa galaxia y nosotros. Esto a su vez requirió que los astrónomos desarrollaran lo que se conoce como la escala de distancia cósmica.
La escala de distancia cósmica recientemente estudiada, ensamblada por el grupo de investigación SH0ES de Riess, comienza midiendo la distancia entre nosotros y ciertas estrellas llamadas Cefeidas. Las cefeidas son valiosas porque, en esencia, son como luces estroboscópicas de potencia conocida. Se iluminan y se oscurecen con regularidad, y las Cefeidas más brillantes pulsan más lentamente. Al explotar este principio, los astrónomos pueden estimar el brillo intrínseco de las Cefeidas más distantes en función de su velocidad de pulsación y, en última instancia, calcular qué tan lejos están estas estrellas de nosotros.
Para estirar aún más la escalera, los astrónomos agregaron escalones a la explosión de estrellas conocidas como supernovas Tipo 1a. Mediante el estudio de galaxias que tienen tanto variables cefeidas como supernovas de tipo 1a, los astrónomos pueden calcular la relación entre el brillo de las supernovas y sus distancias. Debido a que las supernovas Tipo 1a son mucho más brillantes que las Cefeidas, se pueden ver desde más lejos y permiten a los astrónomos extender sus mediciones a galaxias más profundas en el universo.
Contabilización de cambios
El problema es que medir con precisión todas estas estrellas y supernovas es muy complicado. Técnicamente, no todas las supernovas Cefeidas y Tipo 1a se ven exactamente iguales: algunas pueden tener diferentes composiciones, diferentes colores o diferentes tipos de galaxias anfitrionas. Los astrónomos han pasado años descubriendo cómo dar cuenta de toda esta variabilidad, pero es muy difícil saber con seguridad que alguna fuente oculta de error no está alimentando el equilibrio.
Para abordar estas preguntas, un equipo de investigación llamado Pantheon+ Collaboration analizó exhaustivamente los datos de observación de 1701 supernovas de tipo 1a recopiladas desde 1981. Este análisis incluye esfuerzos para cuantificar todas las fuentes conocidas de incertidumbre y sesgo.
“Estamos preocupados por, digamos, el clima en noviembre de 1991 y cómo se veía el telescopio, es difícil”, dijo Scolnic de Duke. Codirige Pantheon+ con Dillon Brout, miembro del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian.
Los hallazgos del equipo informan un nuevo análisis realizado por Riess y sus colegas SH0ES. Después de un examen cruzado igualmente exhaustivo de los factores que podrían influir en las observaciones de Cefeidas, el equipo llegó a la estimación más precisa de la constante de Hubble hasta la fecha: 73,04 km/s (más o menos 1,04) por megajulio. Esto es aproximadamente un 8 por ciento más alto que el valor inferido de las mediciones del CMB del Observatorio Planck.
Además, el equipo de investigación ha hecho todo lo posible para probar las ideas de los científicos externos de que su estimación de la constante de Hubble es más alta que la constante de Planck. En total, los investigadores realizaron su análisis a través de 67 variantes, muchas de las cuales empeoraron la tensión.
“Creo que hemos escuchado muchas inquietudes y preguntas. No es solo un ‘cambio rápido’… hemos investigado mucho en la madriguera del conejo”, dijo Riess.
universo desconocido
Sin embargo, en los últimos años, Wendy Freedman, de la Universidad de Chicago, ha estado trabajando en un método de estimación que no se basa en estrellas pulsantes. En cambio, usa un conjunto específico de gigantes rojas. Con base en estas “velas estándar” alternativas u objetos con brillo intrínseco conocido, la estimación independiente de Freedman de la constante de Hubble es de 69,8 km/seg/megaparsec, en el medio de las otras dos mediciones.
A pesar del trabajo cuidadoso del equipo, Freedman notó que los errores no descubiertos aún podrían afectar el análisis, quizás creando una tensión irreal. Algunas fuentes de incertidumbre también son inevitables, agregó. Primero, solo hay tres galaxias lo suficientemente cerca de la Vía Láctea para que podamos medir su distancia directamente y es en estas tres galaxias en las que se basa la escala de distancia cósmica.
“Tres es un número pequeño, pero es lo que nos dio la naturaleza”, dijo Freedman.
Los resultados de Freedman y otros han sido estudiados durante mucho tiempo por los equipos de Pantheon+ y SH0ES, y algunos de sus diferentes análisis han analizado lo que sucedería si las estrellas preferidas de Freedman se agregaran a la escala de distancia cósmica junto con las cefeidas y las supernovas de tipo 1a. . Según su trabajo, incluir estas estrellas adicionales reduce ligeramente la estimación de la constante de Hubble, pero no elimina la tensión.
Si la constante de Hubble realmente refleja nuestra realidad física, entonces explicarla puede requerir agregar otro elemento a nuestra lista de los ingredientes fundamentales de nuestro universo.
Uno de los principales contendientes teóricos, conocido como energía oscura temprana, propone que hubo un breve estallido de energía oscura unos 50.000 años después del Big Bang. En principio, un breve período de energía extra oscura podría alterar la expansión del Universo primitivo lo suficiente como para resolver la tensión del Hubble sin perturbar demasiado el Modelo Estándar de cosmología.
Pero en el proceso, las estimaciones de los cosmólogos sobre la edad del universo caerán de los 13.800 millones de años actuales a unos 13.000 millones de años.
El astrofísico Mike Boylan-Kolchin de la Universidad de Texas en Austin dijo: “Hay muchas preguntas sobre por qué tienes que traer esta cosa nueva que simplemente vino y se fue, es un poco divertido. Pero estamos en un lugar, si estas cosas son realmente tan inconsistentes, tal vez tengamos que empezar a buscar en rincones interesantes del universo”.
Aunque han surgido algunos indicios, no hay evidencia grandiosa de la energía oscura temprana. En septiembre, el Telescopio de Cosmología de Atacama, una instalación en Chile que mide el fondo cósmico de microondas, dijo que un modelo que incluye energía oscura temprana se ajusta mejor a sus datos que los modelos cosmológicos estándar. Pero los datos de Planck sugieren lo contrario, por lo que se necesitarán futuras observaciones para aclarar el misterio.
Otros observatorios también deberían ayudar a aclarar la tensión del Hubble. El satélite Gaia de la ESA, por ejemplo, ha estado cartografiando la Vía Láctea desde 2014, proporcionando estimaciones cada vez más precisas de nuestras distancias a muchas de las estrellas de la Vía Láctea, incluidas las Cefeidas. Y el próximo Telescopio Espacial James Webb ayudará a los astrónomos a verificar las medidas del Hubble de ciertas estrellas.
“Estamos trabajando al límite de lo que es posible. Vamos a llegar al fondo del problema”, dijo Freedman.
