Los cosmólogos están lidiando con un gran enigma sin resolver: no todos están de acuerdo sobre qué tan rápido se está expandiendo el universo, y resolver este enigma podría conducir a una nueva física. Para probar los defectos ocultos de las mediciones tradicionales que se basan en marcadores como las supernovas, los astrónomos buscan constantemente nuevas formas de rastrear la expansión cósmica. En un trabajo reciente, investigadores, incluidos científicos de la Universidad de Tokio, midieron el crecimiento del universo utilizando nuevas técnicas y datos de los telescopios más avanzados disponibles. Su enfoque aprovecha el hecho de que la luz de objetos muy distantes puede viajar por caminos diferentes a nosotros. Comparar estas diferentes rutas ayuda a refinar los modelos de lo que está sucediendo en las escalas más grandes del universo, incluida cómo se expande el espacio mismo.
¿A qué velocidad se está expandiendo el universo?
Sabemos que el universo es enorme y se hace cada vez más grande. Se desconoce su tamaño exacto, pero se puede medir su tasa de expansión. Esto resulta ser más complicado de lo que parece, ya que la expansión parece más rápida cuando miramos regiones más distantes del espacio. Por cada 3,3 millones de años luz (o un megaparsec) de distancia de la Tierra, los objetos a esa distancia se alejan de nosotros a unos 73 kilómetros por segundo. Dicho de otra manera, el universo se está expandiendo a un ritmo de 73 kilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), valor conocido como constante de Hubble.
Una nueva forma de medir la escalera de distancias y la constante de Hubble
Los científicos han desarrollado varios métodos para estimar la constante de Hubble, pero hasta ahora todos se han basado en la llamada escalera de distancias. Estas escaleras se forman a partir de objetos como supernovas y estrellas especiales llamadas estrellas variables cefeidas. Como se cree que estos objetos se comprenden bien, los astrónomos plantean la hipótesis de que incluso cuando se observan en otras galaxias, se pueden utilizar para estimar distancias con gran precisión. Tras décadas de observación de muchos de estos objetos, el rango permitido para la constante de Hubble se ha reducido. Sin embargo, siempre existe cierta incertidumbre sobre la fiabilidad de este método, por lo que los cosmólogos están ansiosos por probar alternativas.
En su último estudio, un equipo de astrónomos, incluido el profesor asistente del proyecto Kenneth Wong y el investigador postdoctoral Eric Paik del Centro de Investigación para el Universo Temprano de la Universidad de Tokio, demostraron con éxito una técnica llamada cosmografía de retardo de tiempo. Argumentan que este método puede reducir la dependencia del campo de las escalas de distancia y también tener aplicaciones valiosas en otras ramas de la cosmología.
Uso de lentes gravitacionales como herramienta para mediciones cosmológicas
“Para medir la constante de Hubble usando cosmografía de lapso de tiempo, se necesita una galaxia realmente masiva que pueda actuar como una lente”, dijo Wang. “La gravedad de esta ‘lente’ desvía la luz de los objetos ocultos a su alrededor, por lo que vemos una versión distorsionada de ellos. Esto se llama lentes gravitacionales. Si las condiciones son adecuadas, en realidad veremos múltiples imágenes distorsionadas, y cada una elegirá un camino ligeramente diferente para acercarse a nosotros, mostrando diferentes cantidades de luz durante este cambio de luz. En pasos, podemos medir la diferencia haciendo coincidir estos datos con una estimación de la distribución de masa de la lente galáctica que tenemos. Permite calcular más la aceleración de los objetos distantes. con precisión.
La atracción del Hubble: visiones contradictorias del universo en expansión
Puede parecer sorprendente que los investigadores inviertan tanto esfuerzo en refinar un número que ya ha sido medido muchas veces. La razón es que este estándar constituye el núcleo de la forma en que los científicos reconstruyen la historia y la evolución del universo, y existe una grave inconsistencia sin resolver. Un valor de 73 km/s/mpc para la constante de Hubble concuerda con observaciones de objetos relativamente cercanos. Sin embargo, hay otras formas de estimar la tasa de expansión cósmica que se remontan a tiempos más remotos. Un método clave utiliza la radiación que llenó el universo y regresó al Big Bang, conocido como fondo cósmico de microondas (CMB). Cuando los científicos analizaron el CMB para estimar la constante de Hubble, encontraron un valor más bajo de 67 km/s/mpc.
Esta discrepancia entre 73 km/s/mpc y 67 km/s/mpc se llama tensión de Hubble. El trabajo de Wong, Paic y sus colegas ayuda a esclarecer qué podría estar causando esta tensión, en un momento en el que aún no está claro si la diferencia se debe simplemente a la incertidumbre experimental o apunta a algo más profundo.
¿La atracción del Hubble apunta a una nueva física?
“Nuestra medición de la constante de Hubble es más consistente con otras observaciones actuales y menos consistente con mediciones del universo temprano. Esto es evidencia de que la excitación de Hubble puede surgir de la física real y no de alguna fuente desconocida de error en diferentes métodos”, dijo Wang. “Nuestras mediciones son completamente independientes de otros métodos, tanto del universo temprano como del tardío, por lo que si hay incertidumbres sistemáticas en estos métodos, no deberíamos vernos afectados por ellas”.
“El objetivo principal de este trabajo era mejorar nuestro método, y ahora necesitamos aumentar el tamaño de la muestra para mejorar la precisión y resolver decisivamente la excitación del Hubble”, dijo Pack. “En este momento, nuestra precisión es de alrededor del 4,5%, y para bajar la constante del Hubble a un nivel que confirme definitivamente la atracción del Hubble, necesitamos obtener una precisión de alrededor del 1-2%”.
Más lentes, más quásares y mayor precisión
Los investigadores tienen la esperanza de poder alcanzar esta mayor precisión. En el presente estudio, analizaron ocho sistemas de lentes con retardo de tiempo. Cada sistema tiene una galaxia en primer plano que actúa como una lente y bloquea nuestra visión directa de un quásar distante (un agujero negro supermasivo que produce gas y polvo, lo que lo hace brillar intensamente). Incorporan nuevas observaciones de observatorios espaciales y terrestres de última generación, incluido el Telescopio Espacial James Webb. De cara al futuro, el equipo planea ampliar la cantidad de sistemas de lentes que estudian, refinar sus mediciones e identificar o eliminar cuidadosamente las fuentes sistemáticas de error restantes.
Incertidumbres en la distribución masiva y un esfuerzo cosmológico global
“Una de las mayores fuentes de incertidumbre es que no sabemos exactamente cómo se distribuye la masa en la galaxia lente. Generalmente se supone que la masa sigue algún perfil general que es consistente con las observaciones, pero esto es difícil de confirmar, y esta incertidumbre puede afectar directamente nuestros valores calculados”, dijo Wang. “El entusiasmo del Hubble es importante porque puede señalar una nueva era de la ciencia cósmica que revela nueva física. Nuestro proyecto es el resultado de una colaboración de una década entre múltiples observatorios e investigadores independientes, lo que destaca la importancia de la colaboración internacional en ciencia”.
Financiamiento: Este trabajo fue apoyado por la NASA (Subvenciones 80NSSC22K1294 y HST-AR-16149), la Sociedad Max Planck (Beca Max Planck), Deutsche Forschungsgemeinschaft bajo la Estrategia de Excelencia de Alemania (EXC-2094, 390783311) y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. NSF-AST-1906976, NSF-AST-1836016, NSF-AST-2407277), Moore Foundation (Subvención 8548) y JSPS KAKENHI (Subvenciones Nos. JP20K14511, JP24K07089, JP24H00).
