Estos cosmólogos confirmaron que el universo se expande mucho más rápido de lo pensado

Un equipo de astrónomos del Instituto del Telescopio Espacial y la Universidad Johns Hopkins liderado por el Premio Nobel Adam Reiss ha confirmado la información de que el universo se está expandiendo significativamente más rápido de lo que se pensaba.

Como se detalla en un próximo artículo para The Astrophysical Journal, Reiss y sus colegas utilizaron los datos de cuatro años del telescopio espacial Hubble para determinar que el universo se está expandiendo aproximadamente un 9 por ciento más rápido de lo que otras mediciones importantes predecían: una disparidad sorprendente en un campo tan preciso como la cosmología.

Los datos utilizados para llegar a esta conclusión son las mediciones más precisas de la expansión del universo desde que se descubrió que se estaba expandiendo hace casi un siglo.

Los resultados plantean preguntas profundas sobre qué es lo que podría estar causando la disparidad entre las predicciones de la aceleración del universo en expansión, y pueden conducir a ideas fundamentales sobre la naturaleza de la energía oscura.

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"La comunidad realmente está tratando de comprender el significado de esta discrepancia", dijo en un comunicado Reiss, quien compartió un Premio Nobel por descubrir que el universo se expande a un ritmo acelerado en 1998.

¿Cómo sabemos que el universo se está expandiendo?
El universo se veía muy diferente hace un siglo en comparación con cómo se ve en el presente. En aquel entonces, los astrónomos no tenían manera de medir los objetos que estaban fuera de nuestra propia galaxia, y erróneamente describían a las galaxias que podían ver como otras estrellas o nubes de gas en la Vía Láctea.

En 1913, la astrónoma de Harvard Henrietta Leavitt descubrió las variables Cefeidas, estrellas cuyo brillo aumenta y disminuye de manera consistente. Este tipo de estrellas se podría usar como una regla cósmica para medir la distancia de los objetos celestes observando cómo las ondas de luz se "estiran" por la expansión del espacio. Esta idea fue utilizada por el astrónomo Edwin Hubble en 1923 para medir una estrella variable Cefeida en la nebulosa de Andrómeda, lo que demostró por primera vez la existencia de una galaxia fuera de la nuestra.

Hubble descubrió muchas más galaxias a lo largo de su carrera y se dio cuenta de algo notable sobre la relación entre ellas: a medida que aumenta la distancia entre dos galaxias, también aumenta la velocidad relativa a la que se aleja una de la otra. Esta observación fue la primera evidencia de que el universo se estaba expandiendo, incluso si Hubble no fue necesariamente el primero en descubrirlo. El ritmo al que se expande el universo fue llamado la constante de Hubble, lo que es algo engañoso, pues Reiss y sus colegas demostraron a fines de los años 90 que el universo se está expandiendo a una velocidad que va acelerando, no constante.

Hasta la muerte de Hubble en 1953, y todavía unas décadas después, el valor real de la constante de Hubble fue un tema de intenso debate entre los cosmólogos y se pensó que estaba en algún punto entre los 50 y 100 kilómetros por segundo por megapársec.

Un megapársec es una medida de distancia, equivalente a unos 3.3 millones de años luz. Entonces, si la constante de Hubble tiene un valor de 50 kilómetros por segundo por megapársec, eso significa que por cada 3.3 millones de años luz que un objeto se encuentra alejado del observador, su velocidad aumenta en 50 kilómetros por segundo. Por lo que un objeto que está a un megapársec de distancia se aleja a una velocidad de 50 km/s, mientras que un objeto a 100 megapársecs de distancia se aleja a 100 veces esa velocidad, o a 5000 km/s.

De 2009 a 2013, la Agencia Espacial Europea operó el observatorio espacial Planck, cuya misión principal era cartografiar la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB, por sus siglas en inglés). La CMB es la radiación de solo 380,000 años después del Big Bang, y es la instantánea más antigua que tenemos del universo. Usando los datos de las mediciones de Planck de la CMB, los físicos pudieron predecir la velocidad a la que el universo se ha expandió desde el Big Bang. De acuerdo con estas mediciones ultraprecisas del universo temprano, predijeron que la constante de Hubble sería de aproximadamente 67 kilómetros por segundo por megapársec en la actualidad.

Había un sólo problema: los datos de Planck se derivaron de medir objetos increíblemente distantes en el universo temprano, pero, en 2011, cuando Reiss y sus colegas midieron galaxias que estaban más cerca de nosotros en el espacio, encontraron que el universo se expandía a un ritmo de alrededor de 74 kilómetros por segundo por megapársec.

La discrepancia entre la constante de Hubble medida para las galaxias cercanas y las lejanas planteó un problema importante para los astrónomos: no podían explicarlo.

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"Ambos resultados han sido probados de múltiples maneras, por lo que dejando fuera una serie de errores no relacionados, cada vez parece ser más claro que no es un error, sino una característica del universo", dijo Reiss.

Hubble al rescate
Explicar la diferencia entre estos dos valores de la constante de Hubble ha sido en lo que se han enfocado Reiss y su equipo —llamado Supernova H0 para la Ecuación de Estado (SH0ES)— por más de una década. Sin embargo, para comprender por qué difieren estos valores, Reiss y sus colegas necesitan refinar sus mediciones.

Para logarlo, los astrónomos midieron ocho estrellas variables Cefeidas en la Vía Láctea utilizando el Telescopio Espacial Hubble. Estas estrellas se encuentran a una distancia de entre 6,000 y 12,000 años luz, aproximadamente 10 veces más lejos que otras estrellas Cefeidas estudiadas con el Telescopio Espacial Hubble, las cuales se encontraban cuando mucho a 1,600 años luz de distancia.

Cuando Henrietta Leavitt descubrió por primera vez este tipo de estrellas hace más de un siglo, usó las fluctuaciones periódicas en su brillo para determinar su distancia. Este método también sería utilizado por Reiss y compañía, pero sólo hasta después de que calcularon independientemente la distancia de estas ocho nuevas estrellas Cefeidas sin tomar en cuenta su brillo, utilizando una herramienta llamada paralaje, que mide la distancia en función del cambio en la posición de un objeto desde el punto de vista del observador.

El paraleja fue descubierto por primera vez por los antiguos griegos y se utilizó para medir la distancia a la luna, pero el desafío de medición que enfrentó Reiss fue mucho más abrumador. Él y sus colegas estaban midiendo pequeñas oscilaciones en las ocho estrellas Cefeidas, y cada oscilación es igual a tan solo 1/100 de un solo píxel en la cámara del Hubble. Para poner esto en perspectiva, es como medir el movimiento de un grano de arena a 150 kilómetros de distancia.

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Para lograr esto, Reiss creó una técnica de escaneo que medía la posición de las ocho estrellas mil veces por minuto cada seis meses durante cuatro años. Esto significa básicamente que el Hubble está apuntando su cámara a una estrella, capturando la imagen como si fuera un rayo de luz.

"Este método permite tener varias oportunidades para medir los desplazamientos extremadamente pequeños debido al paralaje", dijo Reiss. "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 de medición".

Luego, el equipo calculó la distancia a estas ocho estrellas Cefeidas cercanas basándose en el paralaje e hizo una referencia cruzada con la distancia calculada en función de su brillo. Esta referencia cruzada dio como resultado una precisión sin precedentes al medir estrellas variables Cefeidas en galaxias distantes. Sobre la base de estos datos, Reiss y sus colegas obtuvieron la medición más precisa de la constante de Hubble de todos los tiempos: 74 kilómetros por segundo por megapársec.

Este es el mismo valor que obtuvieron en 2011, pero esta vez su grado de incertidumbre es mucho menor: en 2009, las mediciones de Reiss tuvieron una incertidumbre del 4.7 por ciento, en 2011 fue de 3.3 por ciento y la incertidumbre de la medición más reciente es de sólo 2.4 por ciento.

¿A dónde nos lleva esto?
Bueno, ahora tenemos datos increíblemente precisos para la velocidad de expansión del universo, pero eso todavía no explica la discrepancia entre los valores de Planck y Hubble, aunque Reiss tiene algunas ideas. Un candidato muy obvio es la energía oscura, el material que constituye el 95 por ciento del universo y que Reiss y sus colegas galardonados con el Premio Nobel ya han demostrado que contribuye a la expansión acelerada del universo. En este caso, puede estar forzando a las galaxias a separarse con una fuerza creciente, lo que significaría que la velocidad de aceleración en sí misma no es constante.

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Otra teoría atribuye la discrepancia de aceleración a una clase de partículas subatómicas que se mueven alrededor de la velocidad de la luz y son afectadas sólo por la gravedad, conocidas como radiación oscura. Finalmente, existe la posibilidad de que la materia oscura interactúe con la materia 'normal' con más fuerza de lo que se suponía anteriormente. Todas estas teorías podrían explicar las discrepancias en la velocidad de expansión del universo porque cambiarían con el tiempo, lo que significa que los valores observados inicialmente en el universo por Planck serían diferentes de los valores observados más recientemente por el Hubble.

Reiss y sus colegas esperan contribuir a la resolución de este problema con más datos del Hubble, así como datos del telescopio espacial Gaia de la ESA, que está dedicado a medir la posición y las distancias de las estrellas con una precisión sin precedentes.

"Normalmente, si cada seis meses intentas medir el cambio de posición de una estrella en relación con otra a estas distancias, te ves limitado por tu capacidad de dilucidar exactamente en dónde está la estrella", dijo Reiss. "Esta precisión [en Gaia] es lo que se necesitará para diagnosticar la causa de esta discrepancia".