galaxias

¿Qué tan rápido se está expandiendo el universo? Depende de a quien le preguntes. Dirija su mirada a las estrellas y galaxias relativamente cercanas que nos rodean en el espacio, y llegará a un cierto número para este valor, conocido como la constante de Hubble. Pero mire hacia el universo mucho más distante y obtendrá un número ligeramente diferente. Esta discrepancia, conocida como la tensión de Hubble, es pequeña pero tiene importantes ramificaciones. La tensión podría ser simplemente causada por fallas en nuestras mediciones, o podría estar apuntando a lagunas fundamentales en nuestra comprensión de la estructura cósmica. Es cierto que, incluso sin ningún tipo de tensión, hay profundos misterios relacionados con la tasa de expansión del universo, a saber, el hecho de que está siendo acelerado por la energía oscura, una fuerza aún no explicada de la que no sabemos casi nada. Ahora, una nueva medición de la constante de Hubble, realizada mediante la observación de una imagen especular de una estrella distante en explosión, o supernova, está complicando aún más las cosas.

En una investigación publicada hoy en la revista Ciencia, Patrick Kelly de la Universidad de Minnesota y sus colegas utilizaron el tiempo de retraso de una supernova distante conocida como Refsdal para medir la constante de Hubble. Llegaron a una tasa de expansión de 66,6 kilómetros por segundo por millón de parsecs (km/s/Mpc), o 66,6 km por segundo por 3,26 millones de años luz, con una incertidumbre del 1,5 por ciento. (Un estudio previo de la supernova, de 2017, alcanzó un resultado similar pero con una incertidumbre estadística significativamente mayor).

Este número, 66,6 km/s/Mpc, está extrañamente en desacuerdo con otras mediciones basadas en supernovas en el llamado universo local. Estos tienden a arrojar un valor más alto para la constante de Hubble: alrededor de 73 km/s/Mpc. Sin embargo, 66,6 km/s/Mpc es sorprendentemente similar a las mediciones constantes de Hubble de fuentes mucho más distantes en el universo “principio”, que arrojan valores de alrededor de 67 km/s/Mpc. “Deberíamos estar de acuerdo con la medida de la supernova, pero no es así”, dice Kelly. Y no pueden tener razón los dos.

La constante de Hubble se puede medir de varias maneras. Para el universo local, la mayoría se basa en varias velas estándar: ciertos tipos de supernovas y otros objetos astrofísicos que poseen un brillo intrínseco conocido y apenas variable, lo que permite determinar más fácilmente sus distancias y movimientos con respecto a nosotros. Las mediciones de múltiples tipos de velas estándar se pueden unir para permitir a los astrónomos medir la constante de Hubble a distancias cada vez mayores, y cada vela estándar es un “peldaño” en lo que se conoce como la “escalera de distancia cósmica”. Pero la escalera de la distancia cósmica comienza a tambalearse y caer a lo largo de distancias verdaderamente vastas. Para medir la constante de Hubble que prevaleció en el universo primitivo, los investigadores utilizan principalmente el fondo cósmico de microondas (CMB), esencialmente el calor remanente del big bang de cuando el universo era apenas más de una bola de fuego de 400.000 años. Las ondas de sonido que ondulaban a través de ese fuego cósmico imprimieron patrones reveladores en el CMB que los astrónomos pueden usar como reglas estándar para trazar la expansión posterior del universo.

En 1964, el astrofísico noruego Sjur Refsdal sugirió por primera vez otra forma en que las supernovas podrían usarse para medir la constante de Hubble. Si, en su camino a la Tierra, la luz de una supernova distante pasara alrededor del agarre gravitacional de un objeto masivo, como un cúmulo de galaxias, la luz podría tener una “lente gravitacional” o deformarse y doblarse para seguir múltiples caminos divergentes a la Tierra. , unos más largos y otros más cortos. El resultado final sería una sola supernova que aparecería varias veces en posiciones ligeramente desplazadas en el cielo, con el retraso entre cada aparición correspondiente a la distancia total que había viajado su luz. Combinando tales retrasos con el conocimiento de qué tan rápido se estaba alejando la supernova de nosotros (obtenido al medir una propiedad llamada corrimiento al rojo) y la masa del grupo de lentes proporcionaría un valor de la constante de Hubble.

En noviembre de 2014, Kelly, entonces en la Universidad de California, Berkeley, y sus colegas descubrieron el primer ejemplo conocido de tal evento: la supernova Refsdal, que tuvo lugar a unos 14 mil millones de años luz de la Tierra. Predijeron correctamente la llegada de una imagen con lente de la supernova, que llegó a nuestro planeta unos 360 días después, a fines de 2015. Ahora, el equipo finalmente logró usar Refsdal para medir la tasa de expansión del universo. “Esto es diferente a cualquier cosa que se haya hecho antes”, dice Kelly. Para llegar a un valor, el equipo trabajó en grupos que evaluaron de forma independiente los datos ciegos para llegar a su cifra inesperadamente al revés y ajustada al universo primitivo de aproximadamente 66,6 km/s/Mpc.

El resultado es “una gran adición” a nuestro conocimiento de la constante de Hubble, dice Wendy Freedman, astrónoma de la Universidad de Chicago, que se especializa en estudios de la tasa de expansión del universo y no participó en el nuevo artículo. “Es completamente independiente de cualquier otro tipo de método”.

Los astrónomos han usado lentes para medir la expansión del universo antes, pero con cuásares, los núcleos extremadamente brillantes de ciertas galaxias, en lugar de supernovas. En 2017, un equipo llamado H0LiCOW utilizó este método para llegar a un valor de alrededor de 72 km/s/Mpc. Los cuásares con lentes son “más abundantes” en el cielo, lo que le da a este método algunas ventajas, dice la líder de H0LiCOW, Sherry Suyu, del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania. Pero las supernovas muestran cambios más obvios en el brillo, lo que significa que el retraso de tiempo exacto en las imágenes se puede medir con mayor precisión, lo que quizás brinde un mayor nivel de precisión. “Realmente ves esta variación drástica”, dice Suyu.

Pero mientras que los cuásares pueden brillar durante millones de años, esencialmente para siempre para nosotros, las supernovas son de corta duración y brillan intensamente durante solo semanas o meses. “Tienes que ser capaz de encontrarlos desde el principio”, dice Suyu. “Si te lo pierdes, se van”. Hasta la fecha, solo se conocen un puñado de supernovas con retraso en el tiempo. El más reciente, llamado H0pe, fue encontrado por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) a principios de este año. Por lo tanto, si bien Refsdal es el primer evento de este tipo que se utiliza para medir la expansión del universo, sin duda no es el último.

Si el valor de Kelly y su equipo se mantiene, esto sugeriría que tal vez debamos modificar nuestras mejores conjeturas sobre la naturaleza de la materia oscura: la materia enigmática e invisible que parece dar a las galaxias y los cúmulos de galaxias la mayor parte de su masa y, por lo tanto, modula la lente gravitacional. . De ser cierto, dice Kelly, su resultado “implica que debe haber una falla en nuestros modelos de materia oscura en los cúmulos de galaxias”. La actualización de esos modelos podría desencadenarse a su vez en cascada para exigir cambios en el llamado modelo estándar de cosmología, que supone que una cierta forma “fría” bastante inerte de materia oscura y un tipo específico de energía oscura actúan juntos para guiar el crecimiento y la evolución. de galaxias y cúmulos a lo largo del tiempo cósmico.

“Todavía no entendemos qué es la materia oscura y la energía oscura”, dice Freedman. “Medir la constante de Hubble localmente es una forma de probar directamente ese modelo. Si esto muestra que falta alguna pieza fundamental de la física en el modelo estándar, será muy emocionante”.

Sin embargo, no todo el mundo está convencido todavía de que se avecinan tales cambios cosmológicos. Daniel Scolnic, de la Universidad de Duke, dice que la aparentemente pequeña incertidumbre del 1,5 por ciento del resultado sigue siendo lo suficientemente grande en los márgenes como para ubicarlo dentro de los límites de otros resultados locales. “Si tuvieran incertidumbres mucho más pequeñas, entonces todos deberían estar mirándose fijamente en el espejo en este momento”, dice Scolnic, quien no participó en el estudio. “Esto sería realmente confuso porque todas las medidas locales parecen coincidir en valores más altos”.

Para saberlo con certeza, será necesario estudiar más supernovas con retraso en el tiempo, y será necesario determinar sus valores de la constante de Hubble. Dichos resultados podrían surgir más temprano que tarde: se espera una medición de H0pe del JWST en los próximos meses, y el próximo Observatorio Vera Rubin en Chile, que se encenderá el próximo año, debería aumentar considerablemente la población de supernovas conocidas con retraso en el tiempo. “Encontraremos muchos más de estos”, dice Kelly. “Si todos están a favor de un valor más bajo de la constante de Hubble, eso fortalecería el desacuerdo. Ojalá podamos averiguar dónde está el problema”.