El universo se está expandiendo, pero los astrofísicos no están seguros de qué tan rápido está sucediendo esa expansión, no porque no haya respuestas, sino más bien porque las respuestas que podrían dar no concuerdan.

Ahora, Simon Birrer, un becario postdoctoral en la Universidad de Stanford y el Instituto Kavli de Física de Partículas y Astrofísica en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía, y un equipo internacional de investigadores tiene una nueva respuesta que puede, una vez refinado con más datos, ayudar a resolver el debate.

Esa nueva respuesta es el resultado de revisar un método de décadas de antigüedad llamado cosmografía de retardo de tiempo con nuevos supuestos y datos adicionales para derivar una nueva estimación de la constante de Hubble, una medida de la expansión del Universo. Birrer y sus colegas publicaron sus resultados el 20 de noviembre en la revista. Astronomía y Astrofísica .

"Es la continuación de un gran y exitoso esfuerzo de una década por parte de un gran equipo, con un reinicio en ciertos aspectos clave de nuestro análisis, Birrer dijo:y un recordatorio de que "siempre debemos reconsiderar nuestras suposiciones. Nuestro trabajo reciente está exactamente en este espíritu".

Distancia, velocidad y sonido

Los cosmólogos saben desde hace casi un siglo que el cosmos se está expandiendo, y en ese tiempo se han decidido por dos formas principales de medir esa expansión. Un método es la escalera de distancia cósmica, una serie de pasos que ayudan a estimar la distancia a supernovas lejanas. Al examinar el espectro de luz de estas supernovas, los científicos pueden calcular la rapidez con la que se alejan de nosotros, luego divida por la distancia para estimar la constante de Hubble. (La constante de Hubble generalmente se mide en kilómetros por segundo por megaparsec, reflejando el hecho de que el espacio en sí está creciendo, de modo que los objetos más distantes se alejen de nosotros más rápido que los objetos más cercanos).

Los astrofísicos también pueden estimar la constante de las ondas en la radiación cósmica de fondo de microondas, o CMB. Esas ondas son el resultado de ondas sonoras que viajan a través del plasma en el universo temprano. Al medir el tamaño de las ondas, pueden inferir cuánto tiempo hace y qué tan lejos se creó la luz CMB que vemos hoy. Basándose en una teoría cosmológica bien establecida, los investigadores pueden entonces estimar la rapidez con la que se expande el universo.

Ambos enfoques, sin embargo, tienen inconvenientes. Los métodos de ondas sonoras dependen en gran medida de cómo viajó el sonido en el universo temprano, que depende a su vez de la mezcla particular de tipos de materia en el momento, sobre cuánto viajaron las ondas sonoras antes de dejar su huella en el CMB, y sobre supuestos sobre la expansión del universo desde ese momento. Mientras tanto, Los métodos de escalera de distancia cósmica encadenan una serie de estimaciones, comenzando con estimaciones de radar de la distancia al sol y estimaciones de paralaje de la distancia a estrellas pulsantes llamadas cefeidas. Eso introduce una cadena de calibraciones y medidas, cada uno de los cuales debe ser lo suficientemente preciso y exacto para garantizar una estimación confiable de la constante de Hubble.

Una lente del pasado

Pero hay una forma de medir distancias de forma más directa, basado en lo que se llama lentes gravitacionales fuertes. La gravedad dobla el propio espacio-tiempo y con él el camino que toma la luz a través del cosmos. Un caso especial es cuando un objeto muy masivo, como una galaxia, dobla la luz de un objeto distante alrededor de tal manera que la luz nos alcanza a través de múltiples caminos diferentes, creando de forma eficaz varias imágenes del mismo objeto de fondo. Un ejemplo particularmente hermoso es cuando el objeto distante varía con el tiempo, por ejemplo, como acumulando agujeros negros supermasivos, conocidos como quásares, hacer. Debido a que la luz viaja cantidades de tiempo ligeramente diferentes a lo largo de cada camino alrededor de la galaxia lente, el resultado son varias imágenes ligeramente desincronizadas del mismo parpadeo.

Este fenómeno es más que bonito. En la década de 1960, estudiantes de la teoría de la gravedad de Einstein, relatividad general, demostraron que podían usar lentes gravitacionales fuertes y la luz que doblaban para medir distancias cósmicas más directamente, si podían medir el tiempo relativo a lo largo de cada camino con la suficiente precisión y si sabían cómo se distribuía la materia en la galaxia lente.

Durante la ultima decada, Birrer dijo:las mediciones se volvieron lo suficientemente precisas para tomar este método, cosmografía de retardo de tiempo, de la idea a la realidad. Mediciones sucesivas y un esfuerzo dedicado por parte de H0LiCOW, COSMOGRAIL, ZANCAS, y equipos SHARP, ahora bajo la organización conjunta TDCOSMO, culminó en una medición constante precisa de Hubble a alrededor de 73 kilómetros por segundo por megaparsec con una precisión del 2%. Eso está de acuerdo con las estimaciones realizadas con el método de escalera de distancia local, pero en tensión con las medidas de fondo cósmico de microondas bajo los supuestos del modelo cosmológico estándar.

Supuestos de distribución de masa de galaxias

Pero algo no le sentó bien a Birrer:los modelos de estructura de galaxias en los que se basaron los estudios anteriores podrían no haber sido lo suficientemente precisos como para concluir que la constante de Hubble era diferente de las estimaciones basadas en el fondo cósmico de microondas. "Fui con mis colegas y les dije:'Quiero realizar un estudio que no se base en esos supuestos, '", Dijo Birrer.

En su lugar Birrer propuso investigar una gama de lentes gravitacionales adicionales para hacer una estimación más basada en la observación de la masa y estructura de las galaxias con lentes para reemplazar las suposiciones anteriores. La nueva avenue Birrer y el equipo, TDCOSMO, la empresa se mantuvo deliberadamente ciega, lo que significa que todo el análisis se realizó sin conocer el resultado resultante en la constante de Hubble, para evitar el sesgo del experimentador, un procedimiento establecido ya en los análisis previos del equipo y parte integral en el avance, Dijo Birrer.

Basado en este nuevo análisis con significativamente menos suposiciones aplicadas a las siete galaxias con lentes con retrasos de tiempo que el equipo ha analizado en estudios anteriores, el equipo llegó a un valor más alto de la constante de Hubble, alrededor de 74 kilómetros por segundo por megaparsec, pero con mayor incertidumbre, lo suficiente para que su valor fuera consistente con las estimaciones altas y bajas de la constante de Hubble.

Sin embargo, cuando Birrer y TDCOSMO agregaron 33 lentes adicionales con propiedades similares, pero sin una fuente variable para trabajar directamente en la cosmografía de retardo de tiempo, que se usaron para estimar la estructura galáctica, la estimación constante de Hubble se redujo a unos 67 kilómetros por segundo por megaparsec, con una incertidumbre del 5%, de acuerdo con estimaciones de ondas sonoras como la del CMB, pero también estadísticamente consistente con las determinaciones anteriores, dadas las incertidumbres.

Ese cambio sustancial no significa que el debate sobre el valor de la constante de Hubble haya terminado, ni mucho menos, Dijo Birrer. Por una cosa, Este método introduce una nueva incertidumbre en la estimación asociada con las 33 lentes adicionales que se agregan al análisis. y TDCOSMO necesitarán más datos para confirmar sus resultados, aunque esos datos pueden no estar muy lejanos en el futuro. Birrer:"Si bien nuestro nuevo análisis no invalida estadísticamente las suposiciones del perfil masivo de nuestro trabajo anterior, demuestra la importancia de comprender la distribución de masa dentro de las galaxias, " él dijo.

"Estamos recopilando ahora los datos que nos permitirán recuperar la mayor parte de la precisión que habíamos logrado anteriormente basándonos en suposiciones más sólidas. Mirando hacia el futuro, también tendremos imágenes de muchas más galaxias con lentes del Estudio del Legado del Espacio del Observatorio Rubin. y Es hora de aprovechar para mejorar nuestras estimaciones. Nuestro análisis actual es solo el primer paso y allana el camino para utilizar estos próximos conjuntos de datos para proporcionar una conclusión definitiva sobre el problema restante ".