"La comunidad realmente está tratando de comprender el
significado de esta discrepancia", dijo el investigador principal y Premio
Nobel Adam Riess del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) y la
Universidad Johns Hopkins, ambos en Baltimore, Maryland.
El equipo de Riess, que incluye a Stefano Casertano, también de
STScI y Johns Hopkins, ha utilizado el Hubble en los últimos seis años para
refinar las mediciones de las distancias a las galaxias, usando sus estrellas
como marcadores de milepost. Esas mediciones se usan para calcular qué tan
rápido se expande el universo con el tiempo, un valor conocido como la
constante de Hubble. El nuevo estudio del equipo amplía la cantidad de
estrellas analizadas a distancias hasta 10 veces más alejadas del espacio que
los resultados previos de Hubble.
Pero el valor de Riess refuerza la disparidad con el valor
esperado derivado de las observaciones de la expansión del universo temprano,
378,000 años después del Big Bang: el evento violento que creó el universo
aproximadamente hace 13.800 millones de años. Esas mediciones fueron
hechas por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, que mapea el
fondo de microondas cósmico, una reliquia del Big Bang. La diferencia
entre los dos valores es alrededor del 9 por ciento. Las nuevas mediciones
de Hubble ayudan a reducir la posibilidad de que la discrepancia en los valores
sea una coincidencia de 1 en 5,000.
El resultado de Planck predijo que el valor constante de Hubble
ahora debería ser de 67 kilómetros por segundo por megaparsec (3,3 millones de
años luz), y no podría ser superior a 69 kilómetros por segundo por
megaparsec. Esto significa que por cada 3,3 millones de años luz más
lejanos una galaxia es de nosotros, se está moviendo a 67 kilómetros por
segundo más rápido. Pero el equipo de Riess midió un valor de 73
kilómetros por segundo por megaparsec, lo que indica que las galaxias se mueven
a un ritmo más rápido que lo que implican las observaciones del universo
temprano.
Los datos de Hubble son tan precisos que los astrónomos no pueden
descartar la brecha entre los dos resultados como errores en una única medida o
método. "Ambos resultados se han probado de múltiples maneras, por lo
que salvo una serie de errores no relacionados", explicó Riess, "es
cada vez más probable que esto no sea un error sino una característica del universo".
Explicando una Discrepancia Vexing
Riess delineó algunas posibles explicaciones para la falta de
coincidencia, todas relacionadas con el 95 por ciento del universo que está
envuelto en la oscuridad. Una posibilidad es que la energía oscura, que ya
se sabe que está acelerando el cosmos, puede alejar a las galaxias una de la
otra con una fuerza incluso mayor o creciente. Esto significa que la
aceleración misma puede no tener un valor constante en el universo, sino que
cambia con el tiempo en el universo. Riess compartió un Premio Nobel por
el descubrimiento de 1998 del universo en aceleración.
Otra idea es que el universo contiene una nueva partícula
subatómica que viaja cerca de la velocidad de la luz. Tales partículas
rápidas se denominan colectivamente "radiación oscura" e incluyen
partículas previamente conocidas como neutrinos, que se crean en reacciones
nucleares y desintegraciones radiactivas. A diferencia de un neutrino
normal, que interactúa por una fuerza subatómica, esta nueva partícula se vería
afectada solo por la gravedad y recibe el nombre de "neutrino
estéril".
Otra posibilidad atractiva es que la materia oscura (una forma
invisible de materia que no está formada por protones, neutrones y electrones)
interactúa más fuertemente con la materia normal o la radiación de lo que se
suponía anteriormente.
Cualquiera de estos escenarios cambiaría los contenidos del
universo temprano, dando lugar a inconsistencias en los modelos
teóricos. Estas inconsistencias darían como resultado un valor incorrecto
para la constante de Hubble, deducido de las observaciones del cosmos
joven. Este valor estaría en desacuerdo con el número derivado de las
observaciones de Hubble.
Riess y sus colegas todavía no tienen ninguna respuesta a este
problema, pero su equipo continuará trabajando para afinar la velocidad de
expansión del universo. Hasta ahora, el equipo de Riess, llamado Supernova
H0 para la Ecuación de Estado (SH0ES), ha reducido la incertidumbre al 2.3 por
ciento. Antes de que se lanzara Hubble en 1990, las estimaciones de la constante
de Hubble variaban en un factor de dos. Uno de los objetivos clave de
Hubble fue ayudar a los astrónomos a reducir el valor de esta incertidumbre
dentro de un error de solo el 10 por ciento. Desde 2005, el grupo ha
estado en una búsqueda para refinar la precisión de la constante de Hubble a
una precisión que permite una mejor comprensión del comportamiento del
universo.
Construyendo una Escalera de Distancia Fuerte
El equipo ha tenido éxito en refinar el valor constante de Hubble
mediante la racionalización y el fortalecimiento de la construcción de la
escalera de distancia cósmica, que los astrónomos usan para medir distancias
precisas a las galaxias cerca y lejos de la Tierra. Los investigadores han
comparado esas distancias con la expansión del espacio medida por el
estiramiento de la luz de las galaxias que retroceden. Luego usaron la
velocidad aparente hacia el exterior de las galaxias a cada distancia para
calcular la constante de Hubble.
Pero el valor de la constante de Hubble es tan preciso como la
precisión de las mediciones. Los astrónomos no pueden usar una cinta
métrica para medir las distancias entre las galaxias. En su lugar, han
seleccionado clases especiales de estrellas y supernovas como referencias
cósmicas o marcadores de milepost para medir con precisión las distancias
galácticas.
Entre las más confiables para distancias más cortas están las
variables cefeidas, estrellas pulsantes que se iluminan y atenúan a velocidades
que corresponden a su brillo intrínseco. Sus distancias, por lo tanto, se
pueden inferir al comparar su brillo intrínseco con su brillo aparente visto
desde la Tierra.
La astrónoma Henrietta Leavitt fue la primera en reconocer la
utilidad de las variables Cefeidas para medir las distancias en 1913. Pero el
primer paso es medir las distancias a Cefeidas independientemente de su brillo,
usando una herramienta básica de geometría llamada paralaje. Parallax es
el cambio aparente de la posición de un objeto debido a un cambio en el punto
de vista de un observador. Esta técnica fue inventada por los antiguos
griegos que la usaron para medir la distancia de la Tierra a la Luna.
El último resultado de Hubble se basa en mediciones del paralaje
de ocho Cefeidas recientemente analizadas en nuestra Vía Láctea. Estas
estrellas están unas 10 veces más lejos que las estudiadas anteriormente, y
residen entre 6.000 años luz y 12.000 años luz de la Tierra, lo que las hace
más difíciles de medir. Pulsan a intervalos más largos, al igual que las
Cefeidas observadas por Hubble en galaxias distantes que contienen otro
criterio confiable, estrellas en explosión llamadas supernovas Tipo
Ia. Este tipo de supernova se enciende con un brillo uniforme y es lo
suficientemente brillante como para verse desde un lugar relativamente más
lejano. Las observaciones previas de Hubble estudiaron 10 Cefeidas de
parpadeo más rápido ubicadas de 300 años luz a 1.600 años luz de la Tierra.
Escaneando las estrellas
Para medir la paralaje con el Hubble, el equipo tuvo que medir la
aparente y pequeña oscilación de las Cefeidas debido al movimiento de la Tierra
alrededor del Sol. Estas oscilaciones son del tamaño de 1/100 de un solo
píxel en la cámara del telescopio, que es aproximadamente el tamaño aparente de
un grano de arena visto a 100 millas de distancia.
Por lo tanto, para garantizar la precisión de las mediciones, los
astrónomos desarrollaron un método inteligente que no se previó cuando se lanzó
Hubble. Los investigadores inventaron una técnica de escaneo en la que el
telescopio mide la posición de una estrella mil veces por minuto cada seis
meses durante cuatro años.
El equipo calibró el verdadero brillo de las ocho estrellas que
palpitaban lentamente y las correlacionó con sus primos parpadeantes más
distantes para ajustar las imprecisiones en su escala de distancia. Luego,
los investigadores compararon el brillo de las Cefeidas y las supernovas en
esas galaxias con mayor confianza, para que pudieran medir con mayor precisión
el verdadero brillo de las estrellas, y por lo tanto calcular con mayor
precisión las distancias a cientos de supernovas en galaxias lejanas.
Otra ventaja de este estudio es que el equipo utilizó el mismo
instrumento, la Wide Field Camera 3 de Hubble, para calibrar las luminosidades
de las Cefeidas cercanas y de otras galaxias, eliminando los errores
sistemáticos que se introducen casi inevitablemente al comparar esas mediciones
de diferentes telescopios.
"Por lo general, si cada seis meses intentas medir el cambio
de posición de una estrella en relación con otra a estas distancias, estás limitado
por tu capacidad para descubrir exactamente dónde está la estrella",
explicó Casertano. Utilizando la nueva técnica, el Hubble gira lentamente
sobre un objetivo estelar y captura la imagen como un rayo de
luz. "Este método permite oportunidades repetidas para medir los
desplazamientos extremadamente pequeños debido a la paralaje", agregó
Riess. "Estás midiendo la separación entre dos estrellas, no solo en
un lugar de la cámara, sino una y otra vez miles de veces, reduciendo los
errores de medición".
El objetivo del equipo es reducir aún más la incertidumbre
utilizando datos del Hubble y el observatorio espacial Gaia de la Agencia
Espacial Europea, que medirán las posiciones y las distancias de las estrellas
con una precisión sin precedentes. "Esta precisión es lo que se
necesitará para diagnosticar la causa de esta discrepancia", dijo
Casertano.
El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación
internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El
Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el
telescopio. El Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) en
Baltimore lleva a cabo operaciones científicas de Hubble. STScI es operado
para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en
Astronomía, Inc., en Washington, DC
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