Lo que revela una supernova retrasada en el tiempo sobre la tasa de expansión del universo

El descubrimiento a menudo se atribuye al astrónomo estadounidense Edwin Hubble. De hecho, fue el sacerdote y astrofísico belga Georges Lemaître quien, en 1927, fue el primero en reconocer que cuanto más alejadas están las galaxias de la Tierra, más rápido se alejan. Esta ley de Hubble-Lemaître fue la primera evidencia convincente de que el universo no es estático sino que se expande.

La velocidad a la que lo hace se denomina constante de Hubble. Es una cantidad cosmológica fundamental, y todavía es objeto de acalorados debates en la actualidad. Las dos mediciones más precisas de la constante de Hubble arrojan resultados que no se pueden reconciliar. También una nueva medición, que esta semana en la revista «Science» ha sido presentado, aún no puede evocar esta llamada tensión de Hubble. Al menos muestra una forma de cómo podría suceder eso.

Diferentes formas de medir la constante de Hubble

La controversia constante del Hubble comenzó hace cien años. Tanto Hubble como Lemaître derivaron un valor para la tasa de expansión del universo a partir de observaciones astronómicas. Ambos estaban a kilómetros de distancia. Si su resultado hubiera sido correcto, la tierra habría sido más antigua que el universo.

Hoy en día, los astrónomos son mejores para medir la constante de Hubble. Pero todavía no está surgiendo un consenso. El resultado parece depender de si se mide el universo primitivo o el aquí y ahora.

Un método ampliamente utilizado es medir la constante de Hubble utilizando explosiones de supernovas en nuestro vecindario cósmico. Estas explosiones estelares son muy brillantes y, por lo tanto, también se pueden observar en galaxias más distantes. El ganador del Premio Nobel Adam Riess establece estándares aquí. Al calibrar con precisión la escala de distancia, es su grupo de trabajo recientemente logradopara medir la tasa de expansión con mucha precisión.

El resultado es: 73 kilómetros por segundo y por megaparsec (con una incertidumbre de medida de +/-1). Esta unidad, a la que cuesta acostumbrarse, significa que si te alejas de la Tierra en pasos de 3,26 millones de años luz, la velocidad de escape aumenta 73 kilómetros por segundo con cada paso.

La constante de Hubble se puede medir con mayor precisión si uno no mira nuestro vecindario cósmico sino que analiza la radiación cósmica de fondo. Esta radiación se liberó cuando el universo tenía solo 380.000 años. Entonces no había galaxias. Pero las pequeñas diferencias en la densidad a partir de las cuales se desarrollarían más tarde las estrellas, las galaxias y los cúmulos de galaxias ya se pueden ver en la radiación de fondo.

La radiación cósmica de fondo se midió con mucha precisión en 2018 con el telescopio Planck de la ESA. Tomando esta medida como punto de partida, el modelo cosmológico estándar se puede utilizar para calcular cómo se ha desarrollado el universo desde entonces y qué tan rápido se está expandiendo hoy, 13.800 millones de años después. Si el modelo es correcto, los dos métodos de medición deberían proporcionar el mismo valor para la constante de Hubble. Pero no lo hacen. La medida de Planck devuelve un valor de 67,4 (con una incertidumbre de medida de +/-0,5). Esto significa que la discrepancia es muchas veces mayor de lo que sugerirían las incertidumbres de las dos mediciones. Este es el «voltaje del Hubble» ya mencionado. Existe una tensión entre las mediciones del universo primitivo y tardío.

¿Fuentes desconocidas de error o una indicación de nueva física?

Hay dos posibles explicaciones para la tensión. O bien las incertidumbres de medición se subestiman sistemáticamente y no existe ninguna tensión entre las mediciones tempranas y tardías. O el universo se ha desarrollado de manera diferente desde el Big Bang de lo que sugeriría el modelo cosmológico estándar. En este caso, habría que modificar el modelo. Eso sería un gran paso. El modelo estándar está respaldado por numerosas observaciones. Por lo tanto, el alcance de las modificaciones es limitado.

Antes de atreverse a dar este paso, le gustaría verificar las mediciones anteriores y, si es posible, utilizar métodos de medición independientes. Esta es la única forma de identificar si hay errores de medición sistemáticos en los que nadie había pensado antes, dice Martin Millon de la Universidad de Stanford. Millon llama a estos errores de medición «incógnitas desconocidas» para distinguirlos de los errores que se conocen y se pueden estimar.

Millon se encuentra entre un grupo de investigadores que midieron la constante de Hubble de una manera muy diferente. El método se llama cosmografía retardada en el tiempo, dice Millon. Lo que se necesita es una fuente de luz variable y una fuerte lente gravitacional que desvíe la luz de esta fuente para que llegue a la tierra a lo largo de caminos de diferentes longitudes. A medida que la luz viaja, el universo se expande. Por lo tanto, al medir el tiempo de retraso en el que la luz llega a la Tierra, se puede determinar la constante de Hubble en el aquí y ahora.

Este método ha sido probado antes. Ahora Millon y otros investigadores los han aplicado a la supernova Refsdal, que iluminó el cielo en noviembre de 2014. En lugar de una vez, la supernova se vio en cuatro lugares diferentes. Esto se debe a que hay un cúmulo de galaxias entre la supernova distante y la Tierra, que desvió y amplificó gravitacionalmente la luz de la supernova.

Incluso entonces, los astrónomos predijeron que las cuatro imágenes no se detendrían ahí. Varios modelos de la lente gravitatoria predijeron que produciría una quinta imagen de la supernova con un retraso de aproximadamente un año. Esto resultó ser cierto y les dio a los investigadores la idea de cambiar las tornas. En lugar de calcular el retraso de tiempo a partir de la constante de Hubble, calcularon la constante de Hubble a partir del retraso de tiempo ahora conocido. Los mejores modelos entregaron un valor de 66,6 (incertidumbre de medida +4,1/-3,3). Según Millon, el resultado encaja mejor con el bajo resultado de la medida de Planck. Sin embargo, debido a la incertidumbre de medición relativamente grande, también es compatible con la medición de Riess.

Tommaso Treu, uno de los coautores de Millon, se siente alentado porque el nuevo método de medición proporciona un resultado que es consistente con las otras dos mediciones. Eso no es una cuestión de rutina. Porque es una tarea compleja modelar un cúmulo de galaxias a partir de materia visible y oscura.

El siguiente paso es mejorar la precisión del nuevo método de medición, dice Millon. Para esto, necesita mejores modelos para el cúmulo de galaxias. O tienes que ver otros eventos como la supernova Refsdal. Millon se basa en el Telescopio James Webb o el Telescopio Vera Rubin, que pronto estarán operativos en Chile. En el caso ideal, incluso se encuentra una supernova con este último, cuya luz es desviada y retrasada por una sola galaxia. Esto facilitaría mucho el modelado de la lente gravitacional y aumentaría la precisión de la medición.

La astrofísica Wendy Freedman, que no forma parte del grupo de Millon y Treu, cree que todavía no deberíamos sacar demasiadas conclusiones del nuevo trabajo. «Creo que es demasiado pronto para concluir que no hay voltaje del Hubble. Pero también creo que es demasiado pronto para decir que sí».

Según Freedman, el nuevo trabajo confirma que las mediciones en el universo tardío también pueden proporcionar valores bajos para la constante de Hubble. apunta en la misma dirección un trabajo, que el astrofísico publicó hace unos años. En última instancia, según Freedman, las mediciones de diferentes grupos con diferentes técnicas deben mostrar si hay tensión o no.

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