Un nuevo y mejorado patrón de medidas obtenido utilizando el Hubble proporciona evidencia fresca de una Nueva Física en el Universo.

Esta ilustración muestra los tres pasos que los astrónomos usaron para medir la velocidad de expansión del universo con una precisión sin precedentes, reduciendo la incertidumbre total al 2.3 por ciento. Los astrónomos hicieron las mediciones mediante la racionalización y el fortalecimiento de la construcción de la escala de distancia cósmica, que se utiliza para medir distancias precisas a las galaxias cerca y lejos de la Tierra. Más información. Créditos:  NASA , ESA , A. Feild ( STScI ) y A. Riess ( STScI / JHU).

Los astrónomos han utilizado el Telescopio Espacial Hubble de la NASA para hacer las mediciones más precisas de la tasa de expansión del Universo desde que se calculó por primera vez hace casi un siglo. Curiosamente, los resultados están forzando a los astrónomos a considerar que pueden estar viendo evidencia de algo inesperado  trabajando en el universo.

Esto es porque el último hallazgo del Hubble confirma una persistente discrepancia que muestra que el Universo se expande más rápido ahora de lo que se esperaba de su trayectoria poco después del Big Bang. Los investigadores sugieren que puede haber una nueva física para explicar la incoherencia.

“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 en el espacio que los resultados previos del 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 cósmico de microondas , una reliquia del Big Bang. La diferencia entre los dos valores es de alrededor del 9 por ciento. Las nuevas mediciones del Hubble ayudan a reducir la posibilidad de que la discrepancia en los valores sea una coincidencia de 1 en 5,000.

El resultado obtenido a partir de los datos del satélite Planck predijo que el valor de la 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 que una galaxia se encuentra más lejos 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 del 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 Problemática.

Riess delineó algunas posibles explicaciones para el desajuste, 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 en 1998 del Universo en aceleración.

Otra idea es que el Universo contiene una nueva partícula subatómica que viaja con una velocidad cercana a la 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 sólo 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 del 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 el Hubble en 1990, las estimaciones de la constante de Hubble variaban en un factor de dos. Uno de los objetivos clave del Hubble fue ayudar a los astrónomos a reducir el valor de esta incertidumbre dentro de un error de sólo 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 permitiese una mejor comprensión del comportamiento del Universo.

Construyendo una Escalera de Distancia Fuerte

El equipo ha tenido éxito en refinar el valor de la 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 mojones marcadores de distancia, para medir con precisión las distancias galácticas.

Entre las más confiables para distancias más cortas están las variables cefeidas, estrellas pulsantes que aumentan  y atenúan su brillo 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 las Cefeidas independientemente de su brillo, usando una herramienta básica de geometría llamada paralaje. La Paralaje 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 del 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 supernovas se encienden con un brillo uniforme y son lo suficientemente brillantes como para verse desde un lugar relativamente más lejano. Las observaciones previas del Hubble estudiaron 10 Cefeidas de parpadeo más rápido ubicadas entre 300 años luz y 1.600 años luz de la Tierra.

El Hubble ayuda a los astrónomos a medir distancias precisas a las galaxias. Estas imágenes del Telescopio Espacial Hubble muestran 2 de las 19 galaxias analizadas en un proyecto para mejorar la precisión de la tasa de expansión del universo, un valor conocido como la constante de Hubble. Las imágenes compuestas en color muestran NGC 3972 (izquierda) y NGC 1015 (derecha), ubicadas a 65 millones de años luz y 118 millones de años luz, respectivamente, de la Tierra. Los círculos amarillos en cada galaxia representan las ubicaciones de estrellas pulsantes llamadas variables Cefeidas. Estas estrellas parpadean a una velocidad similar a la de su brillo intrínseco, convirtiéndolas en faros cósmicos ideales para medir distancias precisas a galaxias relativamente cercanas.   Otro marcador o mojón de distancias confiable  es una clase especial de estrella explosiva llamada supernova de Tipo Ia. Todas estas supernovas alcanzan el máximo brillo y son lo suficientemente brillantes como para verse a distancias relativamente más largas. La pequeña característica en forma de cruz en cada galaxia indica la ubicación de una supernova de Tipo Ia. Los astrónomos buscan variables Cefeidas en galaxias cercanas que contengan una supernova de Tipo Ia para que puedan comparar el brillo verdadero de ambos tipos de estrellas. Esa información de brillo se usa para calibrar la luminosidad de las supernovas de Tipo Ia en galaxias lejanas para que los astrónomos puedan calcular las distancias de las galaxias desde la Tierra. Una vez que los astrónomos conocen las distancias exactas a las galaxias cercanas y lejanas, pueden determinar y refinar la tasa de expansión del Universo. Créditos: NASA , ESA , A. Riess ( STScI / JHU)

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 del 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 sólo en un lugar de la cámara, sino una y otra vez miles de veces, reduciendo los errores en la 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.

Los resultados del equipo han sido aceptados para publicación por The Astrophysical Journal .

El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard  de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore lleva a  cabo las operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA), Inc., en Washington, DC