Cada una de estas instantáneas del Telescopio Espacial Hubble revela cuatro imágenes distorsionadas de un cuásar de fondo que rodea el núcleo central de una galaxia masiva en primer plano. Las múltiples imágenes de cuásares fueron producidas por la gravedad de la galaxia en primer plano, que actúa como una lupa al deformar la luz del cuásar en un efecto llamado lente gravitacional. Los quásares son farolas cósmicas extremadamente distantes producidas por agujeros negros activos. Los rayos de luz de cada imagen de cuásar con lente toman un camino ligeramente diferente a través del espacio para llegar a la Tierra. La longitud de la vía depende de la cantidad de materia que distorsiona el espacio a lo largo de la línea de visión del cuásar. Para trazar cada camino, los astrónomos monitorean el parpadeo de la luz del cuásar mientras su agujero negro devora material. Cuando la luz parpadea cada imagen con lente se ilumina en un momento diferente. Esta secuencia de parpadeo permite a los investigadores medir los retrasos de tiempo entre cada imagen a medida que la luz con lente viaja a lo largo de su camino hacia la Tierra. Estas mediciones de retardo ayudaron a los astrónomos a calcular qué tan rápido está creciendo el universo, un valor llamado constante de Hubble. Crédito:NASA, ESA, S.H. Suyu (Instituto Max Planck de Astrofísica, Universidad Técnica de Munich, e Instituto Academia Sínica de Astronomía y Astrofísica), y K.C. Wong (Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo de la Universidad de Tokio)
Un equipo de astrónomos que utiliza el telescopio espacial Hubble de la NASA ha medido la tasa de expansión del universo utilizando una técnica que es completamente independiente de cualquier método anterior.
Conocer el valor exacto de la rapidez con la que se expande el universo es importante para determinar la edad, Talla, y destino del cosmos. Desentrañar este misterio ha sido uno de los mayores desafíos de la astrofísica en los últimos años. El nuevo estudio agrega evidencia a la idea de que se pueden necesitar nuevas teorías para explicar lo que están descubriendo los científicos.
El resultado de los investigadores refuerza aún más una preocupante discrepancia entre la tasa de expansión, llamada la constante de Hubble, calculado a partir de mediciones del universo local y la tasa prevista a partir de la radiación de fondo en el universo temprano, un tiempo antes de que existieran las galaxias y las estrellas.
Este último valor representa la medición más precisa hasta ahora utilizando el método de lente gravitacional, donde la gravedad de una galaxia en primer plano actúa como una lupa gigante, amplificando y distorsionando la luz de los objetos de fondo. Este último estudio no se basó en la técnica tradicional de "escalera de distancia cósmica" para medir distancias precisas a las galaxias mediante el uso de varios tipos de estrellas como "marcadores de hitos". En lugar de, los investigadores emplearon la física exótica de las lentes gravitacionales para calcular la tasa de expansión del universo.
El equipo de astronomía que realizó las nuevas mediciones constantes de Hubble se denomina H0LiCOW (lentes H0 en el manantial de COSMOGRAIL). COSMOGRAIL es el acrónimo de Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, un gran proyecto internacional cuyo objetivo es monitorear lentes gravitacionales. "Wellspring" se refiere al abundante suministro de sistemas de lentes de cuásar.
Este gráfico enumera la variedad de técnicas que los astrónomos han utilizado para medir la tasa de expansión del universo, conocida como la constante de Hubble. Conocer el valor exacto de la rapidez con la que se expande el universo es importante para determinar la edad, Talla, y destino del cosmos. Crédito:NASA, ESA, y A. James (STScI)
El equipo de investigación derivó el valor H0LiCOW para la constante de Hubble a través de técnicas de observación y análisis que se han perfeccionado en gran medida durante las últimas dos décadas.
H0LiCOW y otras mediciones recientes sugieren una tasa de expansión en el universo local más rápida de lo esperado según las observaciones del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea sobre cómo se comportaba el cosmos hace más de 13 mil millones de años.
El abismo entre los dos valores tiene implicaciones importantes para comprender los parámetros físicos subyacentes del universo y puede requerir una nueva física para dar cuenta del desajuste.
"Si estos resultados no concuerdan, puede ser un indicio de que aún no comprendemos completamente cómo la materia y la energía evolucionaron con el tiempo, particularmente en los primeros tiempos, "dijo la líder del equipo H0LiCOW, Sherry Suyu, del Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania, la Universidad Técnica de Munich, y el Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica en Taipei, Taiwán.
Como lo hicieron
El equipo de H0LiCOW utilizó el Hubble para observar la luz de seis cuásares lejanos, los reflectores brillantes del gas orbitando agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias. Los quásares son objetos de fondo ideales por muchas razones; por ejemplo, son brillantes extremadamente distante, y esparcidos por todo el cielo. El telescopio observó cómo la luz de cada cuásar se multiplicaba en cuatro imágenes por la gravedad de una galaxia masiva en primer plano. Las galaxias estudiadas se encuentran entre 3 mil millones y 6,5 mil millones de años luz de distancia. La distancia promedio de los quásares es de 5.500 millones de años luz de la Tierra.
Los rayos de luz de cada imagen de cuásar con lente toman un camino ligeramente diferente a través del espacio para llegar a la Tierra. La longitud de la vía depende de la cantidad de materia que distorsiona el espacio a lo largo de la línea de visión del cuásar. Para trazar cada camino, los astrónomos monitorean el parpadeo de la luz del cuásar mientras su agujero negro devora material. Cuando la luz parpadea cada imagen con lente se ilumina en un momento diferente.
Esta secuencia de parpadeo permite a los investigadores medir los retrasos de tiempo entre cada imagen a medida que la luz con lente viaja a lo largo de su camino hacia la Tierra. Para comprender completamente estos retrasos, el equipo utilizó por primera vez el Hubble para hacer mapas precisos de la distribución de la materia en cada galaxia lente. Los astrónomos podrían deducir de manera confiable las distancias desde la galaxia hasta el quásar, y de la Tierra a la galaxia y al cuásar de fondo. Al comparar estos valores de distancia, los investigadores midieron la tasa de expansión del universo.
"La duración de cada retraso indica qué tan rápido se expande el universo, "dijo el miembro del equipo Kenneth Wong del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo de la Universidad de Tokio, autor principal del artículo más reciente de la colaboración H0LiCOW. "Si los retrasos son más breves, entonces el universo se expande a un ritmo más rápido. Si son más largos, entonces la tasa de expansión es más lenta ".
El proceso de retardo de tiempo es análogo a cuatro trenes que salen de la misma estación exactamente al mismo tiempo y viajan a la misma velocidad para llegar al mismo destino. Sin embargo, cada uno de los trenes llega al destino en un momento diferente. Eso es porque cada tren toma una ruta diferente, y la distancia para cada ruta no es la misma. Algunos trenes viajan sobre colinas. Otros pasan por valles, y otros más se pasean por las montañas. De los variados tiempos de llegada, se puede inferir que cada tren viajó una distancia diferente para llegar a la misma parada. Similar, el patrón de parpadeo del cuásar no aparece al mismo tiempo porque parte de la luz se retrasa al viajar alrededor de curvas creadas por la gravedad de la materia densa en la galaxia intermedia.
Imagen de brújula de cuásares con lentes gravitacionales. Crédito:NASA, ESA, S.H. Suyu (Instituto Max Planck de Astrofísica, Universidad Técnica de Munich, e Instituto Academia Sínica de Astronomía y Astrofísica), y K.C. Wong (Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo de la Universidad de Tokio)
Como se compara
Los investigadores calcularon un valor constante de Hubble de 73 kilómetros por segundo por megaparsec (con un 2,4% de incertidumbre). Esto significa que por cada 3.3 millones de años luz adicionales de distancia, una galaxia es de la Tierra, parece moverse 73 kilómetros por segundo más rápido, debido a la expansión del universo.
La medición del equipo también está cerca del valor constante de Hubble de 74 calculado por el equipo de Supernova H0 para la Ecuación de Estado (SH0ES), que utilizó la técnica de la escalera de distancia cósmica. La medición SH0ES se basa en medir las distancias a las galaxias cercanas y lejanas a la Tierra utilizando estrellas variables Cefeidas y supernovas como varas de medir las galaxias.
Los valores SH0ES y H0LiCOW difieren significativamente del número de Planck de 67, fortaleciendo la tensión entre las mediciones constantes de Hubble del universo moderno y el valor predicho basado en observaciones del universo temprano.
"Uno de los desafíos que superamos fue tener programas de monitoreo dedicados a través de COSMOGRAIL para obtener los retrasos de tiempo para varios de estos sistemas de lentes de cuásar, "dijo Frédéric Courbin de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, líder del proyecto COSMOGRAIL.
Suyu agregó:"Al mismo tiempo, Se desarrollaron nuevas técnicas de modelado de masas para medir la distribución de materia de una galaxia, incluidos los modelos que diseñamos para utilizar las imágenes de alta resolución del Hubble. Las imágenes nos permitieron reconstruir, por ejemplo, las galaxias anfitrionas de los quásares. Estas imagenes, junto con imágenes adicionales de campo más amplio tomadas con telescopios terrestres, también nos permiten caracterizar el entorno del sistema de lentes, que afecta la curvatura de los rayos de luz. Las nuevas técnicas de modelado masivo, en combinación con los retrasos de tiempo, ayúdanos a medir distancias precisas a las galaxias ".
Iniciado en 2012, el equipo de H0LiCOW ahora tiene imágenes de Hubble e información de retardo de tiempo para 10 cuásares con lentes y galaxias con lentes intermedias. El equipo continuará buscando y realizando un seguimiento de nuevos cuásares con lentes en colaboración con investigadores de dos nuevos programas. Un programa llamado STRIDES (Perspectivas sólidas sobre la energía oscura Encuesta), está buscando nuevos sistemas de cuásares con lentes. El segundo, llamado SHARP (Programa de lentes fuertes en alta resolución angular), utiliza óptica adaptativa con W.M. Telescopios Keck para obtener imágenes de los sistemas con lentes. El objetivo del equipo es observar 30 sistemas de cuásares con lentes más para reducir su incertidumbre del 2.4% al 1%.
El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA, se espera que se lance en 2021, puede ayudarlos a lograr su objetivo de 1% de incertidumbre mucho más rápido a través de la capacidad de Webb para mapear las velocidades de las estrellas en una galaxia con lentes, lo que permitirá a los astrónomos desarrollar modelos más precisos de la distribución de la materia oscura de la galaxia.
El trabajo del equipo de H0LiCOW también allana el camino para estudiar cientos de cuásares con lentes que los astrónomos están descubriendo a través de encuestas como Dark Energy Survey y PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System). y el gran telescopio de prospección sinóptica de la National Science Foundation, que se espera que descubra miles de fuentes adicionales.
Además, El telescopio de estudio infrarrojo de campo amplio de la NASA (WFIRST) ayudará a los astrónomos a abordar el desacuerdo en el valor constante de Hubble al rastrear la historia de expansión del universo. La misión también utilizará múltiples técnicas, como muestrear miles de supernovas y otros objetos a varias distancias, para ayudar a determinar si la discrepancia es el resultado de errores de medición, técnica de observación, o si los astrónomos necesitan ajustar la teoría de la que derivan sus predicciones.
El equipo presentará sus resultados en la 235a reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Honolulu, Hawai.
