El universo se está expandiendo más rápido de lo que pensábamos

Es uno de los grandes misterios de la astronomía moderna: basándose en innumerables observaciones de estrellas y galaxias, el universo parece estar destruyéndose más rápidamente de lo que predicen nuestros mejores modelos del cosmos. La evidencia de este enigma se ha ido acumulando durante años, y algunos investigadores le llaman la crisis inminente de la cosmología.

Ahora, los científicos que utilizan el telescopio espacial Hubble han recopilado un nuevo conjunto de datos masivo y han encontrado una posibilidad entre un millón de que la discrepancia sea una casualidad estadística. En otras palabras, parece aún más probable que exista un ingrediente cósmico esencial, o un efecto inesperado de ingredientes conocidos, que los astrónomos todavía no han detectado.

‘El Universo parece tener muchas sorpresas para nosotros, y eso es bueno porque nos ayuda a aprender’, dice Adam Riess, astrónomo de la Universidad Johns Hopkins de Baltimore, Estados Unidos, que dirigió el último estudio para probar la anomalía .

El rompecabezas se conoce como la cepa Hubble en honor al astrónomo Edwin Hubble. en 1929 observó que cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido se aleja, lo que ayudó a abrir el camino para nuestra comprensión actual que el universo empezó con el big bang ha continuado expandiendo desde entonces.

Los científicos han intentado medir la tasa de expansión actual del universo de dos formas principales: midiendo distancias a las estrellas cercanas y rastreando el ligero resplandor que se remonta al origen del universo. Estos dos métodos permiten probar nuestra comprensión del universo durante más de 13.000 millones de años de historia cósmica. La investigación también reveló algunos ingredientes cósmicos clave, como la ‘energía oscura’, una fuerza misteriosa que se cree que está haciendo que el universo se expanda más rápidamente.

Sin embargo, ambos métodos discrepan sobre la tasa de expansión actual del Universo de aproximadamente un 8%. Esta diferencia puede parecer insignificante, pero si esta discrepancia es real, significa que el universo ahora se está expandiendo más rápidamente de lo que incluso la energía oscura puede explicar, e implica un defecto en nuestro cálculo del cosmos.

Los hallazgos de los investigadores, descritos en varios estudios publicados la semana pasada en The Astrophysical Journal, utilizan ciertos tipos de estrellas y estrellas en explosión para medir la distancia entre nosotros y las galaxias cercanas. El conjunto de datos incluye observaciones de 42 estallidos estelares diferentes, más del doble del número del siguiente análisis mayor. Según el trabajo del equipo, la tensión entre su nuevo análisis y los resultados de las primeras medidas espaciales alcanzó cinco sigma, un umbral estadístico utilizado en la física de partículas para confirmar la existencia de nuevas partículas.

Otros astrónomos todavía están viendo errores en los datos, lo que significa que todavía es posible que la cepa Hubble sea sólo un artefacto.

Pero ‘No sé cómo se esconde ahora un error tan grande y, si es así, es algo que nadie ha sugerido antes’, dice el miembro del equipo Dan Scolnic, astrónomo de la Universidad de Duke en Carolina del Norte . (ESTADOS UNIDOS). ‘Probamos todas las ideas que nos podíamos plantear, pero nada funcionó’.

Las microondas cósmicas y la escalera de distancias

La distorsión del Hubble resulta de los intentos de medir o predecir la velocidad actual de expansión del Universo, que se llama constante de Hubble. Gracias a esto, los astrónomos pueden estimar la edad del universo desde el Big Bang.

Una forma de derivar la constante de Hubble se basa en el fondo cósmico de microondas (CMB), un ligero resplandor que se formó cuando el universo sólo tenía 380.000 años. Telescopios como el Observatorio Planck de la Agencia Espacial Europea han medido al CMB, proporcionando una imagen detallada de la distribución de la materia y la energía en el universo temprano, así como de la física que los rige.

Utilizando un modelo que puede predecir muchas propiedades del universo con un éxito impresionante, conocido como el modelo de materia oscura fría Lambda, los cosmólogos pueden acelerar matemáticamente el universo naciente tal y como se ve en el CMB y predecir cuál debería ser la constante actual de Hubble. Este método predice que el Universo debería expandirse a unos 67,36 kilómetros por segundo por megaparseco (un megaparsec equivale a 3,26 millones de años luz).

En cambio, otros equipos miden la constante del Hubble mirando al universo ‘local’: las estrellas y las galaxias más modernas que están relativamente cerca de nosotros. Esta versión del cálculo requiere dos tipos de datos: a qué velocidad se aleja de nosotros la galaxia ya qué distancia está. Esto a su vez requiere que los astrónomos desarrollen lo que se llama escala de distancia cósmica.

La escala de distancia cósmica para la nueva investigación, reunida por el grupo de investigación SH0ES de Riess, comienza con medidas de las distancias entre nosotros y ciertos tipos de estrellas llamadas variables cefeidas. Las cefeidas son valiosas porque actúan esencialmente como luz estroboscópica de poder conocido: se iluminan y parpadean regularmente, y cuanto más brillantes son las cefeidas, más lento se queman. Utilizando este principio, los astrónomos pueden estimar la luminosidad de las cefeidas incluso distantes por su frecuencia de pulsación y, por último, calcular las distancias de las estrellas de nosotros.

Para ampliar aún más la escalera, los astrónomos han añadido escalones basados ​​en estrellas en explosión llamadas supernovas tipo 1a. Estudiando las galaxias que albergan las cefeidas y las supernovas de tipo 1a, los astrónomos pueden calcular la relación entre la luminosidad de las supernovas y sus distancias. Y como las supernovas de tipo 1a son mucho más brillantes que las cefeidas, pueden verse a distancias mucho mayores, lo que permite a los astrónomos extender sus medidas a galaxias más profundas.

Contabilidad de variaciones

El problema es que es muy difícil medir con precisión todas estas estrellas y supernovas. Técnicamente, no todas las cefeidas o supernovas de tipo 1a son exactamente iguales: algunas pueden tener diferentes composiciones, diferentes colores o diferentes tipos de galaxias huéspedes. Los astrónomos han pasado años intentando explicar toda esta variabilidad, pero es muy difícil saber con certeza si existe una fuente oculta de error que afecta al equilibrio.

Para abordar estos problemas, un grupo de investigadores llamado Pantheon+ Collaboration analizó con detalle 1.701 observaciones de supernova de tipo 1a recogidas desde 1981. El análisis incluyó esfuerzos para cuantificar todas las incertidumbres y fuentes de sesgo conocidas.

‘Nos importa, por ejemplo, el tiempo y la imagen del telescopio en 1991. en noviembre; es difícil’, dice Scolnic, de la Universidad de Duke, que co-dirige Pantheon+ con el investigador del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics Dillon Brout.

Riess y sus colegas del equipo SH0ES incorporaron sus resultados en un nuevo análisis. Tras un examen igualmente exhaustivo de los factores que podrían influir en las observaciones de cefeidas, el equipo produjo la estimación más precisa de la constante de Hubble hasta ahora: 73,04 kilómetros por segundo por megaparseco, más o menos 1, 04. Esta cifra es un 8% superior al valor determinado a partir de las medidas de CMB por el Observatori Planck.

El equipo también trabajó duro para probar ideas de no científicos sobre por qué su constante de Hubble es mayor que la de Planck. En total, los investigadores analizaron 67 variantes, muchas de las cuales empeoraron el estrés.

‘Creo que escuchamos con atención muchas preocupaciones y problemas’, dice Riess. ‘No es sólo shazam… Hemos estado en muchos agujeros de conejo.

universo desconocido

Pero en los últimos años, Wendy Freedman de la Universidad de Chicago ha estado trabajando en una estimación que no se basa en estrellas brillantes. En cambio, utiliza un grupo específico de estrellas gigantes rojas que también actúan como bombillas familiares. A partir de estas ‘velas estándar’ alternativas, u objetos de luminosidad conocida, la estimación independiente de Freedman de la constante de Hubble es de 69,8 kilómetros por segundo por megaparseco, entre otras dos medidas.

Pese al trabajo minucioso del equipo, dice Freedman, errores no descubiertos todavía pueden afectar al análisis, quizás creando una tensión ilusoria. Algunas fuentes de incertidumbre son también inevitables, añade. Por un lado, sólo hay tres galaxias lo suficientemente cerca de la Vía Láctea para poder medir sus distancias directamente, y la parte inferior de la escalera de distancia cósmica se basa en este trío.

‘Tres es un número pequeño, pero eso es lo que nos dio la naturaleza’, dice Freedman.

Los equipos Pantheon+ y SH0ES han analizado los resultados de Freedman y otros, y algunos de sus diversos análisis exploran qué ocurre si las estrellas preferidas de Freedman se colocan en la escala de distancia cósmica con cefeidas y supernovas del tipo 1a . Según su trabajo, la inclusión de estas estrellas adicionales reduce ligeramente el cariño de la constante de Hubble, pero no elimina el sesgo.

Y aunque la tensión del Hubble es de hecho un reflejo de nuestra realidad física, explicarla probablemente requerirá añadir un elemento más a la lista de blogs de construcción de nuestro universo.

Uno de los principales contendientes teóricos, llamado energía oscura temprana, propone que se produjo un breve estallido de energía oscura unos 50.000 años después del Big Bang. En principio, una breve explosión de energía oscura extra puede alterar la expansión del universo temprano lo suficiente como para resolver la cepa del Hubble sin alterar significativamente el modelo estándar de cosmología.

Pero en el proceso, los cosmólogos estiman que la edad del universo se reduciría de sus actuales 13.800 millones de años a unos 13.000 millones de años.

“Hay muchas preguntas sobre por qué debe introducirse este nuevo elemento que va y viene; Parece un poco raro hacer esto’, dice Mike Boylan-Kolchin, astrofísico de la Universidad de Texas en Austin. ‘Pero estamos en un punto en el que, si realmente estas cosas no suman mucho, quizá tendremos que empezar a buscar rincones interesantes del universo’.

Actualmente no existen pruebas concluyentes de la existencia de la energía oscura temprana, aunque han surgido algunas pistas. septiembre. El Telescopio Cosmológico Atacama, una instalación de Chile que mide el fondo cósmico de microondas, dijo que un modelo que incluye la energía oscura temprana se ajusta mejor a sus datos que el Modelo Cosmológico Estándar. Los datos del telescopio Planck no coinciden, por lo que se necesitarán más observaciones para averiguar el misterio.

Otros observatorios también deberían ayudar a limpiar la cepa Hubble. Por ejemplo, el satélite Gaia de la ESA de 2022 mapea la Vía Láctea, generando estimaciones cada vez más precisas de la distancia entre nosotros y muchas estrellas de nuestra galaxia, incluidas las Cefeides. Y el próximo telescopio espacial James Webb, que se lanzará a finales de este mes, debería ayudar a los astrónomos a comprobar las medidas del Hubble de determinadas estrellas.

‘Estamos trabajando tanto como podemos’, dice Freedman. ‘Vamos a llegar al fondo’.

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Conoce al autor, Michael Montero
Michael Montero

Michael Montero es especialista en Astronomía, cuenta con años de experiencia en observatorios y está especializado en avistamiento a media distancia. También ha preparado a algunos grupos de iniciados en astronomía. Una de sus aficiones más importantes es la observación de astros en la naturaleza, que practica cuando sus viajes y trabajo se lo permiten.

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