Ilustración de cómo miden los astrónomos la constante de Hubble. Imagen: A. Feild/A. Riess. Fuente: NASA/ESA.
Un grupo de astrónomos, con ayuda del telescopio espacial Hubble de la NASA, han descubierto que el universo se expande entre un 5 y un 9 por ciento más rápido de lo esperado.
"Este sorprendente hallazgo puede ser una pista importante para la comprensión de esas partes misteriosas del universo que conforman el 95 por ciento del mismo y que no emiten luz, como la energía oscura, la materia oscura, y la radiación oscura", dice el líder del estudio y Premio Nobel Adam Riess, del Space Telescope Science Institute y de la Universidad Johns Hopkins, ambos de Baltimore (Maryland, EE.UU.) Los resultados aparecerán en un próximo número de la revista The Astrophysical Journal.
El equipo de Riess hizo el descubrimiento refinando la velocidad de expansión actual del universo con una precisión sin precedentes, reduciendo la incertidumbre a sólo el 2,4 por ciento. El equipo hizo los refinamientos desarrollando técnicas innovadoras que mejoran la precisión de las mediciones de las distancias a las galaxias lejanas.
El equipo buscó galaxias que contuvieran estrellas Cefeidas y supernovas de tipo Ia. Las Cefeidas pulsan a velocidades que corresponden a su verdadero brillo, que puede compararse con el brillo aparente visto desde la Tierra, para determinar con precisión su distancia. Las supernovas de tipo Ia, otra vara de medida cósmica de uso común, son explosiones de estrellas que estallan con el mismo brillo y son lo suficientemente brillantes para ser vistas desde distancias relativamente largas.
Mediante la medición de alrededor de 2.400 estrellas Cefeidas en 19 galaxias y comparando el brillo observado de ambos tipos de estrellas, midieron con precisión su verdadero brillo y calcularon distancias calculadas a unas 300 supernovas de tipo Ia en galaxias lejanas.
El equipo comparó esas distancias con la expansión del espacio, medida a partir del estiramiento de la luz de galaxias alejándose. El equipo utilizó estos dos valores para calcular cómo de rápido se expande el universo con el tiempo: la constante de Hubble.
El nuevo valor de la constante de Hubble es de 73,2 kilómetros por segundo por megaparsec. (Un megaparsec equivale a 3,26 millones de años luz.) Eso significa que la distancia entre los objetos cósmicos se duplicará en otros 9.800 millones de años.
"Este sorprendente hallazgo puede ser una pista importante para la comprensión de esas partes misteriosas del universo que conforman el 95 por ciento del mismo y que no emiten luz, como la energía oscura, la materia oscura, y la radiación oscura", dice el líder del estudio y Premio Nobel Adam Riess, del Space Telescope Science Institute y de la Universidad Johns Hopkins, ambos de Baltimore (Maryland, EE.UU.) Los resultados aparecerán en un próximo número de la revista The Astrophysical Journal.
El equipo de Riess hizo el descubrimiento refinando la velocidad de expansión actual del universo con una precisión sin precedentes, reduciendo la incertidumbre a sólo el 2,4 por ciento. El equipo hizo los refinamientos desarrollando técnicas innovadoras que mejoran la precisión de las mediciones de las distancias a las galaxias lejanas.
El equipo buscó galaxias que contuvieran estrellas Cefeidas y supernovas de tipo Ia. Las Cefeidas pulsan a velocidades que corresponden a su verdadero brillo, que puede compararse con el brillo aparente visto desde la Tierra, para determinar con precisión su distancia. Las supernovas de tipo Ia, otra vara de medida cósmica de uso común, son explosiones de estrellas que estallan con el mismo brillo y son lo suficientemente brillantes para ser vistas desde distancias relativamente largas.
Mediante la medición de alrededor de 2.400 estrellas Cefeidas en 19 galaxias y comparando el brillo observado de ambos tipos de estrellas, midieron con precisión su verdadero brillo y calcularon distancias calculadas a unas 300 supernovas de tipo Ia en galaxias lejanas.
El equipo comparó esas distancias con la expansión del espacio, medida a partir del estiramiento de la luz de galaxias alejándose. El equipo utilizó estos dos valores para calcular cómo de rápido se expande el universo con el tiempo: la constante de Hubble.
El nuevo valor de la constante de Hubble es de 73,2 kilómetros por segundo por megaparsec. (Un megaparsec equivale a 3,26 millones de años luz.) Eso significa que la distancia entre los objetos cósmicos se duplicará en otros 9.800 millones de años.
Rompecabezas
Esta calibración refinada supone, sin embargo, un rompecabezas, debido a que no se ajusta exactamente a la velocidad de expansión prevista para el universo según su trayectoria observada poco después del Big Bang.
Las mediciones de la luminiscencia residual del Big Bang realizadas por la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson (WMAP) de la NASA y de la misión del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) producen estimaciones de la constante de Hubble un 5 y un 9 por ciento, respectivamente, más pequeñas.
"Si sabemos las cantidades iniciales de materia en el universo -de energía oscura y de materia oscura-, y hacemos bien los cálculos de física, se puede pasar de una medición justo posterior al big bang y utilizar ese conocimiento para predecir cómo de rápido debería estar expandiéndose el universo actualmente", dice Riess en la nota de prensa del portal del telescopio Hubble. "Sin embargo, si esta discrepancia se mantiene, puede que no lo estemos entendiendo bien".
Comparar la velocidad de expansión del universo con los datos de WMAP, Planck y el telescopio Hubble es como construir un puente, explica Riess. En la orilla distante están las observaciones de la radiación de fondo de microondas del universo temprano. En la orilla cercana se encuentran las mediciones realizadas por el equipo de Riess utilizando el Hubble. "Deberían cruzarse en el centro, pero no ocurre así", señala el investigador.
Explicaciones
Hay algunas explicaciones posibles para el exceso de velocidad del universo. Una posibilidad es que la energía oscura, de la que se sabe que está acelerando el universo, podría estar separando a las galaxias unas de otras, con una fuerza aún mayor -o creciente-.
Otra idea es que el cosmos contuviera una nueva partícula subatómica en su historia temprana que viajaba cerca de la velocidad de la luz. Tales partículas rápidas se conocen colectivamente como "radiación oscura" e incluyen partículas ya conocidas como los neutrinos. Esa energía de radiación oscura adicional podría estar estropeando los esfuerzos para predecir la velocidad de expansión actual a partir de su trayectoria temprana.
El aumento en la aceleración también podría significar que la materia oscura posee algunas características extrañas e inesperadas. La materia oscura es la columna vertebral del universo sobre la cual las galaxias forman las estructuras a gran escala observadas en la actualidad.
Y, por último, este universo más rápido de lo previsto podría estar diciendo a los astrónomos que la teoría de la gravedad de Einstein es incompleta. "Sabemos muy poco acerca de las partes oscuras del universo, así que es importante medir la forma en que empujan y tiran del espacio a lo largo de la historia del cosmos", señala Lucas Macri, de la Universidad Texas A & M, colaborador clave en el estudio.
Antes de que el telescopio Hubble fuera lanzado en 1990, las estimaciones de la constante de Hubble variaban en un factor de dos. A finales de 1990 se redujo el margen de error a sólo el 10 por ciento, y ahora el objetivo es reducirlo a menos del 1 por ciento.
Esta calibración refinada supone, sin embargo, un rompecabezas, debido a que no se ajusta exactamente a la velocidad de expansión prevista para el universo según su trayectoria observada poco después del Big Bang.
Las mediciones de la luminiscencia residual del Big Bang realizadas por la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson (WMAP) de la NASA y de la misión del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) producen estimaciones de la constante de Hubble un 5 y un 9 por ciento, respectivamente, más pequeñas.
"Si sabemos las cantidades iniciales de materia en el universo -de energía oscura y de materia oscura-, y hacemos bien los cálculos de física, se puede pasar de una medición justo posterior al big bang y utilizar ese conocimiento para predecir cómo de rápido debería estar expandiéndose el universo actualmente", dice Riess en la nota de prensa del portal del telescopio Hubble. "Sin embargo, si esta discrepancia se mantiene, puede que no lo estemos entendiendo bien".
Comparar la velocidad de expansión del universo con los datos de WMAP, Planck y el telescopio Hubble es como construir un puente, explica Riess. En la orilla distante están las observaciones de la radiación de fondo de microondas del universo temprano. En la orilla cercana se encuentran las mediciones realizadas por el equipo de Riess utilizando el Hubble. "Deberían cruzarse en el centro, pero no ocurre así", señala el investigador.
Explicaciones
Hay algunas explicaciones posibles para el exceso de velocidad del universo. Una posibilidad es que la energía oscura, de la que se sabe que está acelerando el universo, podría estar separando a las galaxias unas de otras, con una fuerza aún mayor -o creciente-.
Otra idea es que el cosmos contuviera una nueva partícula subatómica en su historia temprana que viajaba cerca de la velocidad de la luz. Tales partículas rápidas se conocen colectivamente como "radiación oscura" e incluyen partículas ya conocidas como los neutrinos. Esa energía de radiación oscura adicional podría estar estropeando los esfuerzos para predecir la velocidad de expansión actual a partir de su trayectoria temprana.
El aumento en la aceleración también podría significar que la materia oscura posee algunas características extrañas e inesperadas. La materia oscura es la columna vertebral del universo sobre la cual las galaxias forman las estructuras a gran escala observadas en la actualidad.
Y, por último, este universo más rápido de lo previsto podría estar diciendo a los astrónomos que la teoría de la gravedad de Einstein es incompleta. "Sabemos muy poco acerca de las partes oscuras del universo, así que es importante medir la forma en que empujan y tiran del espacio a lo largo de la historia del cosmos", señala Lucas Macri, de la Universidad Texas A & M, colaborador clave en el estudio.
Antes de que el telescopio Hubble fuera lanzado en 1990, las estimaciones de la constante de Hubble variaban en un factor de dos. A finales de 1990 se redujo el margen de error a sólo el 10 por ciento, y ahora el objetivo es reducirlo a menos del 1 por ciento.
Referencia bibliográfica:
Adam G. Riess, Lucas M. Macri, Samantha L. Hoffmann, Dan Scolnic, Stefano Casertano, Alexei V. Filippenko, Brad E. Tucker, Mark J. Reid, David O. Jones, Jeffrey M. Silverman, Ryan Chornock, Peter Challis, Wenlong Yuan, Peter J. Brown, y Ryan J. Foley: A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant. The Astrophysical Journal (2016).
Adam G. Riess, Lucas M. Macri, Samantha L. Hoffmann, Dan Scolnic, Stefano Casertano, Alexei V. Filippenko, Brad E. Tucker, Mark J. Reid, David O. Jones, Jeffrey M. Silverman, Ryan Chornock, Peter Challis, Wenlong Yuan, Peter J. Brown, y Ryan J. Foley: A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant. The Astrophysical Journal (2016).