El universo se está expandiendo más rápido de lo que debería
Por Carlos Hernández
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Es uno de los mayores enigmas de la astronomía moderna: según múltiples observaciones de estrellas y galaxias, el Universo parece estar desmoronándose más rápido de lo que predicen los mejores modelos del cosmos.
La evidencia de este enigma se ha ido acumulando durante años, lo que provocó que algunos investigadores lo llamaran una crisis inminente en la cosmología.
Ahora, un grupo de investigadores que utilizan el telescopio espacial Hubble ha compilado un nuevo conjunto de datos masivo y han encontrado probabilidades de un millón a uno de que la discrepancia sea una casualidad estadística.
En otras palabras, parece aún más probable que haya algún ingrediente fundamental del cosmos, o algún efecto inesperado de los ingredientes conocidos, que los astrónomos aún tienen que precisar.
“El universo parece arrojarnos muchas sorpresas, y eso es bueno, porque nos ayuda a aprender”, indica Adam Riess, astrónomo de la Universidad Johns Hopkins que dirigió el último esfuerzo para probar la anomalía.
El enigma se conoce como la tensión de Hubble, en honor al astrónomo Edwin Hubble. En 1929 observó que cuanto más lejos está una galaxia de la tierra, más rápido retrocede, una observación que ayudó a allanar el camino hacia la noción actual del Universo, comenzando con el big bang y expandiéndose desde entonces.
Los investigadores han tratado de medir la tasa actual de expansión del universo de dos formas principales: midiendo las distancias a las estrellas cercanas y mapeando un tenue brillo que se remonta al universo más joven.
Estos enfoques duales proporcionan una forma de probar la comprensión del universo a lo largo de más de 13 mil millones de años de historia cósmica.
La investigación también ha descubierto algunos ingredientes cósmicos clave, como la «energía oscura», la fuerza misteriosa que se cree que impulsa la expansión acelerada del Universo.
Pero estos dos métodos discrepan en la tasa de expansión actual del universo en aproximadamente un 8 por ciento.
Esa diferencia puede no parecer mucha, pero si esta discrepancia es real, significa que el Universo ahora se está expandiendo más rápido de lo que incluso la energía oscura puede explicar, lo que implica una falla en la contabilidad del cosmos.
Los hallazgos de los investigadores, descritos en varios estudios presentados la semana pasada a The Astrophysical Journal, utilizan tipos específicos de estrellas y explosiones estelares para medir la distancia entre nosotros y las galaxias cercanas.
El conjunto de datos incluye observaciones de 42 explosiones estelares diferentes, más del doble del siguiente análisis más grande de este tipo.
Según el trabajo del equipo, la tensión entre su nuevo análisis y los resultados de las mediciones del Cosmos primitivo ha alcanzado cinco sigma, el umbral estadístico utilizado en la física de partículas para confirmar la existencia de nuevas partículas.
Otros astrónomos todavía ven espacio para posibles errores en los datos, lo que significa que todavía es posible que la tensión del Hubble sea solo un artefacto.
Sin embargo, «no sé cómo se esconde un error tan grande en este momento, y si es así, es algo que nadie ha sugerido», dice el miembro del equipo Dan Scolnic, astrónomo de la Universidad de Duke.
“Hemos revisado todas las ideas que se nos han presentado, y nada funciona”.
LAS MICROONDAS CÓSMICAS Y LA ESCALA DE DISTANCIAS
La tensión de Hubble proviene de los intentos de medir o predecir la tasa actual de expansión del universo, que se denomina constante de Hubble.
Usándolo, los astrónomos pueden estimar la edad del universo desde el big bang.
Una forma de obtener la constante de Hubble se basa en el Fondo Cósmico de Microondas (CMB), un débil resplandor que se formó cuando el universo tenía solo 380 mil años.
Telescopios como el observatorio Planck de la Agencia Espacial Europea han medido el CMB, proporcionando una imagen instantánea detallada de cómo se distribuían la materia y la energía en el universo primitivo, así como la física que las gobernaba.
Usando un modelo que predice muchas de las propiedades del Universo con un éxito espectacular, conocido como el modelo Lambda Cold Dark Matter, los cosmólogos pueden avanzar matemáticamente el universo infantil como se ve en el CMB y predecir cuál debería ser la constante de Hubble de hoy.
Este método predice que el Universo debería expandirse a una velocidad de unos 67.36 kilómetros por segundo por megaparsec (un megaparsec equivale a 3.26 millones de años luz).
Por el contrario, otros equipos miden la constante de Hubble observando el universo «local»: las estrellas y galaxias más modernas que están relativamente cerca de nosotros.
Esta versión del cálculo requiere dos tipos de datos: qué tan rápido se aleja una galaxia de nosotros y qué tan lejos está esa galaxia.
Eso, a su vez, requiere que los astrónomos desarrollen lo que se conoce como una escalera de distancia cósmica.
La escala de distancia cósmica de los nuevos estudios, ensamblada por el grupo de investigación SH0ES de Riess, comienza con mediciones de las distancias entre la Tierra y ciertos tipos de estrellas llamadas variables cefeidas.
Las cefeidas son valiosas porque, en esencia, actúan como luces estroboscópicas de potencia conocida: se iluminan y se atenúan con regularidad, y cuanto más brillantes son las cefeidas, más lentamente pulsan. Usando este principio, los astrónomos pueden estimar los brillos intrínsecos de cefeidas aún más distantes en función de sus tasas de pulsación y, en última instancia, calcular la distancia de las estrellas a nosotros.
Para extender la escalera aún más, los astrónomos han agregado peldaños basados en explosiones estelares llamadas supernovas tipo 1a.
Al estudiar las Galaxias que albergan tanto cefeidas como supernovas de tipo 1a, los astrónomos pueden determinar la relación entre el brillo de las Supernovas y sus distancias.
Y debido a que las supernovas de tipo 1a son mucho más brillantes que las Cefeidas, se pueden ver a distancias mucho mayores, lo que permite a los astrónomos extender sus mediciones a galaxias más profundas en el cosmos.
Contabilización de la variación
El problema es que medir con precisión todas estas estrellas y supernovas es endiabladamente complicado.
Técnicamente hablando, no todas las cefeidas y supernovas tipo 1a se ven exactamente iguales: algunas pueden tener diferentes composiciones, diferentes colores o diferentes tipos de galaxias anfitrionas.
Los astrónomos han pasado muchos años averiguando cómo dar cuenta de toda esta variabilidad, pero es extremadamente difícil saber con certeza que alguna fuente oculta de error no está presionando la balanza.
Para abordar estas preocupaciones, un equipo de investigación llamado Pantheon+ Collaboration analizó exhaustivamente 1701 observaciones de supernovas de tipo 1a recopiladas desde 1981.
El análisis incluyó esfuerzos para cuantificar todas las incertidumbres conocidas y las fuentes de sesgo.
“Nos preocupamos por cómo era el clima y cómo se veía un telescopio en noviembre de 1991, eso es difícil”, dice Scolnic de la Universidad de Duke, quien codirige Pantheon+ con el investigador del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian Dillon Brout.
Los hallazgos del equipo se incorporaron al nuevo análisis de Riess y sus colegas SH0ES. Después de realizar una verificación cruzada igualmente exhaustiva de los factores que podrían afectar las observaciones de las cefeidas, el equipo generó su estimación más precisa hasta el momento para la constante de Hubble: 73,04 kilómetros por segundo por megaparsec, más o menos 1,04. Eso es aproximadamente un 8 por ciento más alto que el valor inferido de las mediciones del CMB del observatorio Planck.
El equipo también hizo todo lo posible para probar las ideas de los científicos externos sobre por qué su estimación constante de Hubble es más alta que la de Planck. En total, los investigadores realizaron 67 variantes de su análisis, muchas de las cuales empeoraron la tensión.
“Hemos escuchado, creo, atentamente muchas preocupaciones y problemas”, dice Riess. «Esto no es solo un ‘shazam’… Hemos hecho muchas inmersiones profundas en las madrigueras de los conejos».
el universo desconocido
Sin embargo, en los últimos años, Wendy Freedman, de la Universidad de Chicago, ha estado trabajando en una estimación que no se basa en estrellas pulsantes. En su lugar, utiliza un grupo específico de estrellas gigantes rojas, que también actúan como bombillas de luz de potencia conocida. A partir de estas «velas estándar» alternativas u objetos con brillos intrínsecos conocidos, la estimación independiente de Freedman de la constante de Hubble es de 69,8 kilómetros por segundo por megaparsec, en el medio de las otras dos mediciones.
A pesar del cuidadoso trabajo del equipo, Freedman dice que los errores no descubiertos aún podrían estar afectando el análisis, quizás creando una tensión ilusoria. Agrega que algunas fuentes de incertidumbre también son inevitables. Por un lado, solo hay tres galaxias lo suficientemente cerca de la Vía Láctea cuyas distancias podemos medir directamente, y la base de la escala de distancia cósmica descansa sobre este trío.
“Tres es un número pequeño, pero eso es lo que nos ha dado la naturaleza”, dice Freedman.
Los equipos de Pantheon+ y SH0ES analizaron detenidamente los resultados de Freedman y otros, y algunos de sus diversos análisis examinan qué sucede si las estrellas preferidas de Freedman se agregan a la escala de distancia cósmica, junto con las cefeidas y las supernovas de tipo 1a.
Según su trabajo, incluir estas estrellas adicionales reduce ligeramente la estimación de la constante de Hubble, pero no elimina la tensión.
Y si la tensión de Hubble realmente refleja nuestra realidad física, entonces explicarla probablemente requerirá agregar otro elemento a nuestra lista de ingredientes fundamentales del universo.
Uno de los principales contendientes teóricos, llamado energía oscura temprana, propone que unos 50,000 años después del Big Bang, hubo un breve estallido de energía oscura.
En principio, un pequeño parpadeo de energía extra oscura podría alterar la expansión del universo primitivo lo suficiente como para resolver la tensión del Hubble sin alterar demasiado el modelo estándar de cosmología.
Pero en el proceso, las estimaciones de los cosmólogos sobre la edad del universo caerían de los 13,800 millones de años actuales a unos 13,000 millones de años.
“Hay muchas preguntas sobre por qué tienes que introducir esta cosa nueva que simplemente aparece y desaparece, eso se siente un poco divertido”, dice Mike Boylan-Kolchin, astrofísico de la Universidad de Texas en Austin.
“Pero estamos en un lugar donde, si estas cosas son realmente tan discrepantes, tal vez tengamos que empezar a buscar en los rincones divertidos del universo”.
Por ahora, no hay evidencia definitiva de energía oscura temprana, aunque algunos indicios han surgido.
En septiembre, el Telescopio de Cosmología de Atacama, una instalación en Chile que mide el fondo cósmico de microondas, afirmó 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 están de acuerdo, por lo que se requerirán futuras observaciones para llegar al fondo del misterio.
