Los astrónomos han utilizado el telescopio espacial Hubble de la NASA para realizar las mediciones más precisas de la tasa de expansión del universo desde que se calculó por primera vez hace casi un siglo. Curiosamente, los resultados están obligando a los astrónomos a considerar que pueden estar viendo evidencia de algo inesperado en funcionamiento en el universo.

Esto se debe a que el último hallazgo del Hubble confirma una molesta discrepancia que muestra que el universo se está expandiendo más rápido ahora de lo que se esperaba de su trayectoria vista poco después del Big Bang. Los investigadores sugieren que puede haber nueva física para explicar la inconsistencia.

"La comunidad realmente está tratando de comprender el significado de esta discrepancia, "dijo el investigador principal y premio Nobel Adam Riess del Space Telescope Science Institute (STScI) y la Universidad Johns Hopkins, ambos en Baltimore, Maryland.

El equipo de Riess, que incluye a Stefano Casertano, también de STScI y Johns Hopkins, ha estado usando Hubble durante los últimos seis años para refinar las medidas de las distancias a las galaxias, usando sus estrellas como marcadores de hitos. Esas medidas se utilizan para calcular qué tan rápido se expande el universo con el tiempo, un valor conocido como la constante de Hubble. El nuevo estudio del equipo amplía la cantidad de estrellas analizadas a distancias hasta 10 veces más lejanas en el espacio que los resultados anteriores del Hubble.

Pero el valor de Riess refuerza la disparidad con el valor esperado derivado de las observaciones de la expansión del universo temprano, 378, 000 años después del Big Bang, el evento violento que creó el universo hace aproximadamente 13.800 millones de años. Esas mediciones fueron realizadas por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, que mapea el fondo cósmico de microondas, una reliquia del Big Bang. La diferencia entre los dos valores es de alrededor del 9 por ciento. Las nuevas mediciones de Hubble ayudan a reducir la posibilidad de que la discrepancia en los valores sea una coincidencia de 1 en 5, 000.

El resultado de Planck predijo que el valor constante de Hubble ahora debería ser de 67 kilómetros por segundo por megaparsec (3,3 millones de años luz), y no puede superar los 69 kilómetros por segundo por megaparsec. Esto significa que por cada 3,3 millones de años luz más lejos, una galaxia es de nosotros, se mueve 67 kilómetros por segundo más rápido. Pero el equipo de Riess midió un valor de 73 kilómetros por segundo por megaparsec, lo que indica que las galaxias se mueven a un ritmo más rápido de lo que implican las observaciones del universo temprano.

Los datos del Hubble son tan precisos que los astrónomos no pueden descartar la brecha entre los dos resultados como errores en una sola medición o método. "Ambos resultados se han probado de varias formas, así que salvo una serie de errores no relacionados, Riess explicó, "Es cada vez más probable que esto no sea un error, sino una característica del universo".

Explicando una irritante discrepancia

Riess esbozó algunas posibles explicaciones para el desajuste, todo relacionado con el 95 por ciento del universo que está envuelto en oscuridad. Una posibilidad es que la energía oscura, ya se sabe que está acelerando el cosmos, pueden estar alejando a las galaxias unas de otras con una fuerza aún mayor, o cada vez mayor. Esto significa que la aceleración en sí misma podría no tener un valor constante en el universo, pero cambia con el tiempo en el universo. Riess compartió un premio Nobel por el descubrimiento de 1998 del universo en aceleración.

Otra idea es que el universo contiene una nueva partícula subatómica que viaja cerca de la velocidad de la luz. Estas partículas rápidas se denominan colectivamente "radiación oscura" e incluyen partículas previamente conocidas como neutrinos, que se crean en reacciones nucleares y desintegraciones radiactivas. A diferencia de un neutrino normal, que interactúa por una fuerza subatómica, esta nueva partícula se vería afectada únicamente por la gravedad y se la denomina "neutrino estéril".

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

Cualquiera de estos escenarios cambiaría el contenido del universo temprano, conduciendo a inconsistencias en los modelos teóricos. Estas inconsistencias resultarían en un valor incorrecto para la constante de Hubble, inferido de las observaciones del cosmos joven. Este valor estaría entonces en desacuerdo con el número derivado de las observaciones de Hubble.

Riess y sus colegas aún no tienen ninguna respuesta a este molesto problema, pero su equipo continuará trabajando para ajustar la tasa de expansión del universo. Hasta aquí, El equipo de Riess, llamada Supernova H0 para la ecuación de estado (SH0ES), ha reducido la incertidumbre al 2,3 por ciento. Antes de que se lanzara Hubble en 1990, Las estimaciones de la constante de Hubble variaron en un factor de dos. Uno de los objetivos clave de Hubble era ayudar a los astrónomos a reducir el valor de esta incertidumbre a un error de solo el 10 por ciento. Desde 2005, el grupo ha estado en una búsqueda para refinar la precisión de la constante de Hubble a una precisión que permita una mejor comprensión del comportamiento del universo.

Construyendo una escalera de gran distancia

El equipo ha logrado refinar el valor constante de Hubble racionalizando y fortaleciendo la construcción de la escalera de distancia cósmica, which the astronomers use to measure accurate distances to galaxies near to and far from Earth. The researchers have compared those distances with the expansion of space as measured by the stretching of light from receding galaxies. They then have used the apparent outward velocity of galaxies at each distance to calculate the Hubble constant.

But the Hubble constant's value is only as precise as the accuracy of the measurements. Astronomers cannot use a tape measure to gauge the distances between galaxies. En lugar de, they have selected special classes of stars and supernovae as cosmic yardsticks or milepost markers to precisely measure galactic distances.

Among the most reliable for shorter distances are Cepheid variables, pulsating stars that brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. Their distances, por lo tanto, can be inferred by comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth.

Astronomer Henrietta Leavitt was the first to recognize the utility of Cepheid variables to gauge distances in 1913. But the first step is to measure the distances to Cepheids independent of their brightness, using a basic tool of geometry called parallax. Parallax is the apparent shift of an object's position due to a change in an observer's point of view. This technique was invented by the ancient Greeks who used it to measure the distance from Earth to the Moon.

The latest Hubble result is based on measurements of the parallax of eight newly analyzed Cepheids in our Milky Way galaxy. These stars are about 10 times farther away than any studied previously, residing between 6, 000 light-years and 12, 000 light-years from Earth, making them more challenging to measure. They pulsate at longer intervals, just like the Cepheids observed by Hubble in distant galaxies containing another reliable yardstick, exploding stars called Type Ia supernovae. This type of supernova flares with uniform brightness and is brilliant enough to be seen from relatively farther away. Previous Hubble observations studied 10 faster-blinking Cepheids located 300 light-years to 1, 600 light-years from Earth.

Scanning the Stars

To measure parallax with Hubble, the team had to gauge the apparent tiny wobble of the Cepheids due to Earth's motion around the Sun. These wobbles are the size of just 1/100 of a single pixel on the telescope's camera, which is roughly the apparent size of a grain of sand seen 100 miles away.

Por lo tanto, to ensure the accuracy of the measurements, the astronomers developed a clever method that was not envisioned when Hubble was launched. The researchers invented a scanning technique in which the telescope measured a star's position a thousand times a minute every six months for four years.

The team calibrated the true brightness of the eight slowly pulsating stars and cross-correlated them with their more distant blinking cousins to tighten the inaccuracies in their distance ladder. The researchers then compared the brightness of the Cepheids and supernovae in those galaxies with better confidence, so they could more accurately measure the stars' true brightness, and therefore calculate distances to hundreds of supernovae in far-flung galaxies with more precision.

Another advantage to this study is that the team used the same instrument, Hubble's Wide Field Camera 3, to calibrate the luminosities of both the nearby Cepheids and those in other galaxies, eliminating the systematic errors that are almost unavoidably introduced by comparing those measurements from different telescopes.

"Ordinarily, if every six months you try to measure the change in position of one star relative to another at these distances, you are limited by your ability to figure out exactly where the star is, " Casertano explained. Using the new technique, Hubble slowly slews across a stellar target, and captures the image as a streak of light. "This method allows for repeated opportunities to measure the extremely tiny displacements due to parallax, " Riess added. "You're measuring the separation between two stars, not just in one place on the camera, but over and over thousands of times, reducing the errors in measurement."

The team's goal is to further reduce the uncertainty by using data from Hubble and the European Space Agency's Gaia space observatory, which will measure the positions and distances of stars with unprecedented precision. "This precision is what it will take to diagnose the cause of this discrepancy, " Casertano said.