Los astrónomos que utilizan el telescopio espacial Hubble de la NASA dicen que han cruzado un umbral importante al revelar una discrepancia entre las dos técnicas clave para medir la tasa de expansión del universo. El estudio reciente refuerza el caso de que pueden ser necesarias nuevas teorías para explicar las fuerzas que han dado forma al cosmos.

Un breve resumen:el universo se hace más grande cada segundo. El espacio entre galaxias se está alargando como masa en el horno. Pero, ¿qué tan rápido se está expandiendo el universo? Mientras Hubble y otros telescopios buscan responder a esta pregunta, se han topado con una intrigante diferencia entre lo que predicen los científicos y lo que observan.

Las mediciones de Hubble sugieren una tasa de expansión más rápida en el universo moderno de lo esperado, basado en cómo apareció el universo hace más de 13 mil millones de años. Estas mediciones del universo temprano provienen del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea. Esta discrepancia se ha identificado en artículos científicos durante los últimos años, pero no está claro si las diferencias en las técnicas de medición son las culpables, o si la diferencia podría deberse a mediciones desafortunadas.

Los últimos datos del Hubble reducen la posibilidad de que la discrepancia sea solo una casualidad a 1 en 100, 000. Esta es una ganancia significativa con respecto a una estimación anterior, hace menos de un año, de una probabilidad de 1 en 3, 000.

Estas mediciones de Hubble más precisas hasta la fecha refuerzan la idea de que puede ser necesaria una nueva física para explicar el desajuste.

"La tensión de Hubble entre el universo temprano y tardío puede ser el desarrollo más emocionante en cosmología en décadas, "dijo el investigador principal y premio Nobel Adam Riess del Space Telescope Science Institute (STScI) y la Universidad Johns Hopkins, en Baltimore, Maryland. "Este desajuste ha ido en aumento y ahora ha llegado a un punto que es realmente imposible de descartar como una casualidad. Esta disparidad no podría ocurrir de manera plausible por casualidad".

Apriete los tornillos de la 'escalera de la distancia cósmica'

Los científicos usan una "escalera de distancia cósmica" para determinar qué tan lejos están las cosas en el universo. Este método depende de hacer mediciones precisas de distancias a galaxias cercanas y luego moverse a galaxias cada vez más lejanas. usando sus estrellas como marcadores de hitos. Los astrónomos usan estos valores, junto con otras medidas de la luz de las galaxias que se enrojece a medida que pasa a través de un universo en expansión, para calcular qué tan rápido se expande el cosmos con el tiempo, un valor conocido como la constante de Hubble. Riess y su equipo SH0ES (Supernovas H0 para la ecuación de estado) han estado en una búsqueda desde 2005 para refinar esas mediciones de distancia con Hubble y ajustar la constante de Hubble.

En este nuevo estudio, Los astrónomos utilizaron el Hubble para observar 70 estrellas pulsantes llamadas variables cefeidas en la Gran Nube de Magallanes. Las observaciones ayudaron a los astrónomos a "reconstruir" la escala de distancias al mejorar la comparación entre esas Cefeidas y sus primos más distantes en las huestes galácticas de supernovas. El equipo de Riess redujo la incertidumbre en su valor constante de Hubble al 1,9% desde una estimación anterior del 2,2%.

A medida que las mediciones del equipo se han vuelto más precisas, su cálculo de la constante de Hubble se ha mantenido en desacuerdo con el valor esperado derivado de las observaciones de la expansión del universo temprano. Esas mediciones fueron realizadas por Planck, que mapea el fondo cósmico de microondas, un resplandor reliquia de 380, 000 años después del Big Bang.

Las medidas se han examinado minuciosamente, por lo que los astrónomos actualmente no pueden descartar la brecha entre los dos resultados como debida a un error en una sola medición o método. Ambos valores se han probado de varias formas.

"No se trata solo de dos experimentos en desacuerdo, Riess explicó. Estamos midiendo algo fundamentalmente diferente. Uno es una medida de qué tan rápido se está expandiendo el universo hoy, como lo vemos. La otra es una predicción basada en la física del universo primitivo y en mediciones de qué tan rápido debería expandirse. Si estos valores no concuerdan, se vuelve muy probable que nos falte algo en el modelo cosmológico que conecta las dos eras ".

Cómo se realizó el nuevo estudio

Los astrónomos han estado utilizando variables cefeidas como criterios cósmicos para medir distancias intergalácticas cercanas durante más de un siglo. Pero intentar cosechar un montón de estas estrellas consumía tanto tiempo que era casi inalcanzable. Entonces, el equipo empleó un método nuevo e inteligente, llamado DASH (Drift And Shift), usando el Hubble como una cámara de "apuntar y disparar" para tomar imágenes rápidas de las estrellas pulsantes extremadamente brillantes, lo que elimina la necesidad de apuntar con precisión, que requiere mucho tiempo.

"Cuando el Hubble apunta con precisión al fijar las estrellas guía, solo puede observar una cefeida por cada órbita del Hubble de 90 minutos alrededor de la Tierra. Entonces, sería muy costoso para el telescopio observar cada cefeida, "explicó el miembro del equipo Stefano Casertano, también de STScI y Johns Hopkins. "En lugar de, buscamos grupos de cefeidas lo suficientemente cerca entre sí como para poder movernos entre ellas sin tener que recalibrar la orientación del telescopio. Estas Cefeidas son tan brillantes solo necesitamos observarlos durante dos segundos. Esta técnica nos permite observar una docena de cefeidas durante una órbita. Entonces, nos mantenemos en el control del giroscopio y seguimos 'DASHing' muy rápido ".

Los astrónomos del Hubble luego combinaron su resultado con otro conjunto de observaciones, realizado por el Proyecto Araucaria, una colaboración entre astrónomos de instituciones de Chile, los Estados Unidos., y Europa. Este grupo hizo mediciones de distancia a la Gran Nube de Magallanes al observar la atenuación de la luz cuando una estrella pasa frente a su compañera en sistemas de estrellas binarias eclipsantes.

Las mediciones combinadas ayudaron al equipo SH0ES a refinar el verdadero brillo de las cefeidas. Con este resultado más preciso, El equipo podría entonces "apretar los tornillos" del resto de la escalera de distancia que se extiende más profundamente en el espacio.

La nueva estimación de la constante de Hubble es de 74 kilómetros (46 millas) por segundo por megaparsec. Esto significa que por cada 3,3 millones de años luz más lejos, una galaxia es de nosotros, parece moverse 74 kilómetros (46 millas) por segundo más rápido, como resultado de la expansión del universo. El número indica que el universo se está expandiendo a un ritmo un 9% más rápido que la predicción de 67 kilómetros (41,6 millas) por segundo por megaparsec, que proviene de las observaciones de Planck del universo temprano, junto con nuestra comprensión actual del universo.

Entonces, ¿Qué podría explicar esta discrepancia?

Una explicación del desajuste implica una aparición inesperada de energía oscura en el universo joven, que se cree que ahora comprende el 70% del contenido del universo. Propuesto por astrónomos de Johns Hopkins, la teoría se denomina "energía oscura temprana, "y sugiere que el universo evolucionó como una obra de teatro en tres actos.

Los astrónomos ya han planteado la hipótesis de que la energía oscura existió durante los primeros segundos después del Big Bang y empujó la materia por todo el espacio. comenzando la expansión inicial. La energía oscura también puede ser la razón de la expansión acelerada del universo en la actualidad. La nueva teoría sugiere que hubo un tercer episodio de energía oscura poco después del Big Bang, que expandió el universo más rápido de lo que habían predicho los astrónomos. La existencia de esta "energía oscura temprana" podría explicar la tensión entre los dos valores constantes de Hubble, Riess dijo.

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.

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.

Pero la verdadera explicación sigue siendo un misterio.

Riess no tiene una respuesta a este molesto problema, pero su equipo continuará usando Hubble para reducir las incertidumbres en la constante de Hubble. Su objetivo es reducir la incertidumbre al 1%, lo que debería ayudar a los astrónomos a identificar la causa de la discrepancia.

Los resultados del equipo han sido aceptados para su publicación en The Diario astrofísico .