Utilizando dos de los telescopios espaciales más potentes del mundo, el Hubble de la NASA y Gaia de la ESA, los astrónomos han realizado las mediciones más precisas hasta la fecha de la tasa de expansión del universo. Esto se calcula midiendo las distancias entre las galaxias cercanas usando tipos especiales de estrellas llamadas variables Cefeidas como patrones cósmicos. Al comparar su brillo intrínseco medido por el Hubble, con su brillo aparente visto desde la Tierra, los científicos pueden calcular sus distancias. Gaia refina aún más esta medida midiendo geométricamente las distancias a las variables Cefeidas dentro de nuestra galaxia Vía Láctea. Esto permitió a los astrónomos calibrar con mayor precisión las distancias a las Cefeidas que se ven en galaxias externas. Crédito: NASA, ESA y A. Feild (STScI)

Utilizando la potencia y la sinergia de dos telescopios espaciales, los astrónomos han realizado la medición más precisa hasta la fecha de la tasa de expansión del universo.

Los resultados alimentan aún más la falta de coincidencia entre las mediciones de la tasa de expansión de la cercana y los del universo distante y primigenio, antes de que existieran las estrellas y las galaxias.

Esta llamada “tensión” implica que podría haber una nueva física subyacente a los fundamentos del universo. Las posibilidades incluyen la fuerza de interacción de la materia oscura, la energía oscura siendo aún más exótica de lo que se pensaba anteriormente, o una nueva partícula desconocida en el tapiz del espacio.

Combinando observaciones del Telescopio Espacial Hubble de la NASA y el observatorio espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA), los astrónomos refinaron el valor anterior de la constante de Hubble, la velocidad a la que el universo se expande desde el Big Bang hace 13.800 millones de años.

Pero a medida que las mediciones se han vuelto más precisas, la determinación del equipo de la constante de Hubble se ha vuelto cada vez más contraria a las mediciones de otro observatorio espacial, la misión Planck de la ESA, que presenta un valor predicho diferente para la constante de Hubble.

Planck mapeó el universo primigenio tal como apareció solo 360,000 años después del Big Bang. Todo el cielo está impreso con la firma del big bang codificado en microondas. Planck midió los tamaños de las ondas en este Fondo Cósmico de Microondas (CMB) que fueron producidos por ligeras irregularidades en la bola de fuego del Big Bang. Los detalles finos de estas ondas codifican la cantidad de materia oscura y materia normal que existe, la trayectoria del universo en ese momento y otros parámetros cosmológicos.

Estas mediciones, que aún se están evaluando, permiten a los científicos predecir cómo es probable que el universo primitivo se haya convertido en la tasa de expansión que podemos medir hoy en día. Sin embargo, esas predicciones no parecen coincidir con las nuevas mediciones de nuestro universo contemporáneo cercano.

“Con la adición de estos nuevos datos del Telescopio Espacial Hubble y Gaia, ahora tenemos una seria tensión con los datos de Cosmic Microwave Background”, dijo el miembro del equipo de Planck y analista principal George Efstathiou del Instituto Kavli de Cosmología en Cambridge, Inglaterra, quien no involucrado con el nuevo trabajo.

“La tensión parece haberse convertido en una total incompatibilidad entre nuestros puntos de vista sobre el universo del tiempo temprano y tardío”, dijo el líder del equipo y Premio Nobel Adam Riess del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial y la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland. “En este momento, claramente no se trata simplemente de un gran error en una sola medición. Es como si hubiera predicho qué tan alto se convertiría un niño en una tabla de crecimiento y luego descubrió que el adulto superó con creces la predicción. Estamos muy perplejos. ”

En 2005, Riess y los miembros del equipo SHOES (Supernova H0 para la ecuación del estado) se propusieron medir la tasa de expansión del universo con una precisión sin precedentes. En los años siguientes, al refinar sus técnicas, este equipo redujo la incertidumbre de la medición de la tasa a niveles sin precedentes. Ahora, con el poder combinado de Hubble y Gaia, han reducido esa incertidumbre a solo 2.2 por ciento.

Debido a que la constante de Hubble es necesaria para estimar la edad del universo, la respuesta largamente buscada es uno de los números más importantes en cosmología. Lleva el nombre del astrónomo Edwin Hubble, quien descubrió hace casi un siglo que el universo se estaba expandiendo uniformemente en todas las direcciones, un descubrimiento que dio origen a la cosmología moderna.

Las galaxias parecen alejarse de la Tierra proporcionalmente a sus distancias, lo que significa que cuanto más lejos están, más rápido parecen alejarse. Esto es una consecuencia de expandir el espacio, y no un valor de la verdadera velocidad espacial. Al medir el valor de la constante de Hubble a lo largo del tiempo, los astrónomos pueden construir una imagen de nuestra evolución cósmica, inferir la composición del universo y descubrir pistas sobre su destino final.

Los dos métodos principales para medir este número dan resultados incompatibles. Un método es directo, construyendo una “escalera de distancia” cósmica a partir de mediciones de estrellas en nuestro universo local. El otro método usa el CMB para medir la trayectoria del universo poco después del y luego usa la física para describir el universo y extrapolar al presente . Juntas, las mediciones deberían proporcionar una prueba de extremo a extremo de nuestra comprensión básica del llamado “Modelo Estándar” del universo. Sin embargo, las piezas no encajan.

Utilizando el Hubble y los datos recién publicados de Gaia, el equipo de Riess midió la tasa actual de expansión en 73.5 kilómetros (45.6 millas) por segundo por megaparsec. Esto significa que por cada 3,3 millones de años luz más lejanos, una galaxia es de nosotros, parece moverse 73,5 kilómetros por segundo más rápido. Sin embargo, los resultados de Planck predicen que el universo debería expandirse hoy a solo 67.0 kilómetros (41.6 millas) por segundo por megaparsec. A medida que las mediciones de los equipos se han vuelto cada vez más precisas, el abismo entre ellas ha continuado ampliándose, y ahora es aproximadamente cuatro veces el tamaño de su incertidumbre combinada.

Con los años, el equipo de Riess ha refinado el valor constante de Hubble mediante la racionalización y el fortalecimiento de ” , “usado para medir distancias precisas a galaxias cercanas y lejanas. Compararon esas distancias con la expansión de , medido por el estiramiento de la luz de las galaxias cercanas. Usando la velocidad aparente hacia afuera en cada distancia, calcularon la constante de Hubble.

Para medir las distancias entre las galaxias cercanas, su equipo usó un tipo especial de estrella como marcadores cósmicos o marcadores de hito. Estas estrellas pulsantes, llamadas variables Cephied, se iluminan y atenúan a velocidades que corresponden a su brillo intrínseco. Al comparar su brillo intrínseco con su brillo aparente visto desde la Tierra, los científicos pueden calcular sus distancias.

Gaia refinó aún más este patrón midiendo geométricamente la distancia a 50 variables Cefeidas en la Vía Láctea. Estas medidas se combinaron con precisión de sus brillos del Hubble. Esto permitió a los astrónomos calibrar con mayor precisión las Cefeidas y luego usar aquellas que se ven fuera de la Vía Láctea como marcadores de hitos.

“Cuando usas cefeidas, necesitas distancia y brillo”, explicó Riess. Hubble proporcionó la información sobre el brillo, y Gaia proporcionó la información de paralaje necesaria para determinar con precisión las distancias. Parallax es el cambio aparente en la posición de un objeto debido a un cambio en el punto de vista del observador. Los antiguos griegos usaron por primera vez esta técnica para medir la distancia de la Tierra a la Luna.

“Hubble es realmente increíble como observatorio de propósito general, pero Gaia es el nuevo estándar de oro para la calibración de distancia. Está diseñado especialmente para medir paralaje, esto es para lo que fue diseñado”, Stefano Casertano, del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial. y un miembro del equipo de SHOES agregado. “Gaia ofrece una nueva capacidad para recalibrar todas las medidas de distancia pasadas, y parece confirmar nuestro trabajo anterior. Obtenemos la misma respuesta para la constante de Hubble si reemplazamos todas las calibraciones previas de la distancia. escalera con solo las paralaje de Gaia. Es una verificación cruzada entre dos observatorios muy potentes y precisos “.

El objetivo del equipo de Riess es trabajar con Gaia para cruzar el umbral de refinación de la constante de Hubble a un valor de solo un uno por ciento a principios de la década de 2020. Mientras tanto, los astrofísicos probablemente continuarán lidiando con la revisión de sus ideas sobre la física del universo temprano.

Los últimos resultados del equipo Riess se publican en la edición del 12 de julio del Revista Astrofísica .


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