Utilizando dos de los telescopios espaciales más poderosos del mundo, el Hubble de la NASA y el Gaia de la ESA, los astrónomos han realizado las mediciones más precisas hasta la fecha de la tasa de expansión del universo. Esto se calcula midiendo las distancias entre las galaxias cercanas utilizando tipos especiales de estrellas llamadas variables cefeidas como varas cósmicas. Al comparar su brillo intrínseco medido por Hubble, con su brillo aparente visto desde la Tierra, los científicos pueden calcular sus distancias. Gaia refina aún más este criterio midiendo geométricamente las distancias a las variables cefeidas dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Esto permitió a los astrónomos calibrar con mayor precisión las distancias a las cefeidas que se ven en las galaxias exteriores. Crédito:NASA, ESA, y A. Feild (STScI)
Usando el poder y la sinergia de dos telescopios espaciales, Los astrónomos han realizado la medición más precisa hasta la fecha de la tasa de expansión del universo.
Los resultados alimentan aún más el desajuste entre las mediciones de la tasa de expansión del universo cercano, y los de los lejanos, universo primigenio, incluso antes de que existieran estrellas y galaxias.
Esta llamada "tensión" implica que podría haber una nueva física subyacente a los cimientos del universo. Las posibilidades incluyen la fuerza de interacción de la materia oscura, la energía oscura es incluso más exótica de lo que se pensaba anteriormente, o una nueva partícula desconocida en el tapiz del espacio.
Combinando observaciones del telescopio espacial Hubble de la NASA y el observatorio espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA), Los astrónomos refinaron aún más el valor anterior de la constante de Hubble, la velocidad a la que el universo se está expandiendo desde el Big Bang hace 13.800 millones de años.
Pero a medida que las mediciones se han vuelto más precisas, La determinación del equipo de la constante de Hubble se ha vuelto cada vez más en desacuerdo con las mediciones de otro observatorio espacial, La misión Planck de la ESA, que está generando un valor predicho diferente para la constante de Hubble.
Planck trazó el mapa del universo primigenio, ya que parecía solo 360, 000 años después del Big Bang. Todo el cielo está impreso con la firma del Big Bang codificada en microondas. Planck midió los tamaños de las ondas en este Fondo Cósmico de Microondas (CMB) que fueron producidas por ligeras irregularidades en la bola de fuego del Big Bang. Los finos detalles de estas ondas codifican cuánta materia oscura y materia normal hay, la trayectoria del universo en ese momento, y otros parámetros cosmológicos.
Estas medidas, aún siendo evaluado, Permitir a los científicos predecir cómo el universo primitivo probablemente habría evolucionado hacia la tasa de expansión que podemos medir hoy. Sin embargo, esas predicciones no parecen coincidir con las nuevas medidas de nuestro universo contemporáneo cercano.
"Con la adición de estos nuevos datos del telescopio espacial Gaia y Hubble, ahora tenemos una gran tensión con los datos de trasfondo de microondas cósmico, "dijo el miembro del equipo de Planck y analista principal George Efstathiou del Instituto Kavli de Cosmología en Cambridge, Inglaterra, que no participó en el nuevo trabajo.
"La tensión parece haberse convertido en una incompatibilidad total entre nuestras visiones del universo del tiempo temprano y tardío, "dijo el líder del equipo y premio Nobel Adam Riess del Space Telescope Science Institute y la Johns Hopkins University en Baltimore, Maryland. "En este punto, Claramente, no se trata simplemente de un error grave en una sola medición. Es como si predijera qué tan alto llegaría un niño a partir de una tabla de crecimiento y luego descubriera que el adulto en el que se convirtió excedió en gran medida la predicción. Estamos muy perplejos ".
En 2005, Riess y los miembros del equipo SHOES (Supernova H0 para la ecuación de estado) se propusieron medir la tasa de expansión del universo con una precisión sin precedentes. En los próximos años, refinando sus técnicas, este equipo redujo la incertidumbre de la medición de la tasa a niveles sin precedentes. Ahora, con el poder de Hubble y Gaia combinados, han reducido esa incertidumbre a sólo el 2,2 por ciento.
Debido a que se necesita la constante de Hubble para estimar la edad del universo, la respuesta largamente buscada es uno de los números más importantes en cosmología. Lleva el nombre del astrónomo Edwin Hubble, quien hace casi un siglo descubrió que el universo se expandía uniformemente en todas las direcciones, un hallazgo que dio origen a la cosmología moderna.
Las galaxias parecen alejarse de la Tierra proporcionalmente a sus distancias, lo que significa que cuanto más lejos están, cuanto más rápido parecen alejarse. Esta es una consecuencia de la expansión del espacio, y no un valor de la verdadera velocidad espacial. Midiendo el valor de la constante de Hubble a lo largo del tiempo, astronomers can construct a picture of our cosmic evolution, infer the make-up of the universe, and uncover clues concerning its ultimate fate.
The two major methods of measuring this number give incompatible results. One method is direct, building a cosmic "distance ladder" from measurements of stars in our local universe. The other method uses the CMB to measure the trajectory of the universe shortly after the big bang and then uses physics to describe the universe and extrapolate to the present expansion rate. Juntos, the measurements should provide an end-to-end test of our basic understanding of the so-called "Standard Model" of the universe. Sin embargo, the pieces don't fit.
Using Hubble and newly released data from Gaia, Riess' team measured the present rate of expansion to be 73.5 kilometers (45.6 miles) per second per megaparsec. This means that for every 3.3 million light-years farther away a galaxy is from us, it appears to be moving 73.5 kilometers per second faster. Sin embargo, the Planck results predict the universe should be expanding today at only 67.0 kilometers (41.6 miles) per second per megaparsec. As the teams' measurements have become more and more precise, the chasm between them has continued to widen, and is now about four times the size of their combined uncertainty.
A través de los años, Riess' team has refined the Hubble constant value by streamlining and strengthening the "cosmic distance ladder, " used to measure precise distances to nearby and far-off galaxies. They compared those distances with the expansion of space, measured by the stretching of light from nearby galaxies. Using the apparent outward velocity at each distance, they then calculated the Hubble constant.
To gauge the distances between nearby galaxies, his team used a special type of star as cosmic yardsticks or milepost markers. These pulsating stars, called Cepheid variables, brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. By comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth, scientists can calculate their distances.
Gaia further refined this yardstick by geometrically measuring the distance to 50 Cepheid variables in the Milky Way. These measurements were combined with precise measurements of their brightnesses from Hubble. This allowed the astronomers to more accurately calibrate the Cepheids and then use those seen outside the Milky Way as milepost markers.
"When you use Cepheids, you need both distance and brightness, " explained Riess. Hubble provided the information on brightness, and Gaia provided the parallax information needed to accurately determine the distances. Parallax is the apparent change in an object's position due to a shift in the observer's point of view. Ancient Greeks first used this technique to measure the distance from Earth to the Moon.
"Hubble is really amazing as a general-purpose observatory, but Gaia is the new gold standard for calibrating distance. It is purpose-built for measuring parallax—this is what it was designed to do, " Stefano Casertano of the Space Telescope Science Institute and a member of the SHOES team added. "Gaia brings a new ability to recalibrate all past distance measures, and it seems to confirm our previous work. We get the same answer for the Hubble constant if we replace all previous calibrations of the distance ladder with just the Gaia parallaxes. It's a crosscheck between two very powerful and precise observatories."
The goal of Riess' team is to work with Gaia to cross the threshold of refining the Hubble constant to a value of only one percent by the early 2020s. Mientras tanto, astrophysicists will likely continue to grapple with revisiting their ideas about the physics of the early universe.
The Riess team's latest results are published in the July 12 issue of the Diario astrofísico .
