La galaxia NGC 4242 se encuentra en la pequeña constelación septentrional de Canes Venatici (Los Perros de Caza). Esta imagen fue tomada por el telescopio espacial Hubble de la NASA / ESA. Crédito de la imagen: NASA / ESA
En una nueva observación realizado con los telescopios Hubble y James Webb confirman la tasa de expansión del universo, descartando con confianza un error de medición como la causa de la tensión del Hubble. La falta de precisión se debe a otro fenómeno.
Los astrónomos Edwin Hubble y Georges Lemaitre descubrieron en forma individual hace más de cien años que el Universo se estaba expandiendo. Desde entonces, los investigadores han estado tratando de calcular la tasa de expansión (también conocida como la constante de Hubble-Lemaitre) para determinar el origen, la edad y el final de la existencia del Universo. Esto no es muy alentador, ya que las observaciones con telescopios terrestres revelaron muchas incertidumbres, lo que condujo a estimaciones de edad que oscilan entre 10 y 20 mil millones de años. Lo que se conoce como tensión de Hubble es la diferencia entre estas mediciones obtenidas mediante diferentes métodos.
Se esperaba que el Telescopio Espacial Hubble, que fue lanzado en 1990, solucionara este conflicto al ofrecer las imágenes más detalladas del Universo. Después de 34 años de operación continua, Hubble ha logrado disminuir la cantidad de incertidumbre, pero no eliminarla por completo. Esto provocó que algunos miembros de la comunidad científica pensaran que las mediciones del Hubble eran incorrectas. Sin embargo, los datos más recientes de su sucesor, el Telescopio Espacial James Webb (JWST), demuestra al parecer, que las mediciones del Hubble fueron correctas desde un principio.
La investigación fue desarrollada por SH0ES ((for Supernova H0 for the Equation of State) que es un proyecto para ajustar la escala de distancias cósmicas a través de mediciones de precisión recientes y adicionales del paralaje y la luminosidad de las variables cefeidas y supernovas de tipo Ia. O sea, un esfuerzo global para eliminar las dudas sobre la Constante de Hubble-Lemaitre. El equipo está compuesto por astrofísicos del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI), la Universidad John Hopkin (JHU), el Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica-Infrarroja de la NSF (NOIRLab), la Universidad de Duke, la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) y Raytheon Technologies, bajo la dirección del Dr. Adam Guy Riess. Los resultados de sus investigaciones fueron publicados en la edición del 6 de febrero de 2024 de The Astrophysical Journal Letters.
La tensión de Hubble es el resultado de múltiples mediciones de distancia (también conocidas como «Escalera de distancia cósmica»). Los astrónomos utilizan mediciones de paralaje de estrellas cercanas para medir distancias cortas o el primer «peldaño» de la escalera. Para el siguiente «peldaño», utilizan variables cefeidas y supernovas de tipo Ia para calcular las distancias entre objetos que están a decenas de millones de años luz de distancia. La velocidad promedio de un megaparsec (Mpc) es de 252.000 km/h, según las mediciones de distancia realizadas por el Hubble.
El último peldaño consiste en medir el corrimiento al rojo del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) para determinar distancias que van desde cientos de millones de años luz hasta miles de millones de años luz. Una estimación de 244.000 km/h por Mpc (o 269 km/s por año luz) fue proporcionada por el mapeo de este fondo realizado por el satélite Planck de la ESA. La explicación más sencilla para la discrepancia era que las mediciones realizadas por Hubble eran inexactas. Esto podría deberse a incertidumbres en la Escalera de Distancias Cósmicas.
Desde su lanzamiento en diciembre de 2021, JWST ha utilizado su óptica infrarroja avanzada para realizar sus propias mediciones de variables cefeidas.
Esto ha dado a los astrónomos la oportunidad de verificar las mediciones de luz óptica realizadas por el Hubble. Esto incluye a Riess, el Distinguido Bloomberg y Profesor de Física y Astronomía Thomas J. Barber de la Universidad John Hopkins. En el año 2011, Riess ganó el Premio Nobel de Física y la Medalla Albert Einstein por descubrir la tasa acelerada de expansión cósmica, lo que llevó a la creación de la teoría de la «Energía Oscura»
El primer análisis del equipo a las observaciones de Webb en 2023 confirmó que las estimaciones realizadas por Hubble sobre el Universo en expansión eran precisas.
Una variable cefeida es una estrella que pulsa radialmente y cambia tanto en temperatura como en diámetro para producir cambios de brillo con un periodo y amplitud muy regulares.
Las Cefeidas son esenciales indicadores de distancia para establecer escalas de distancia galácticas y extragalácticas debido a una fuerte relación directa entre su luminosidad y periodo pulsar
El análisis más reciente se basó en las observaciones del Webb de más de 1.000 cefeidas que se utilizan como «anclas» en la escala de distancias, así como ocho supernovas de tipo Ia y NGC 5468, la galaxia más lejana donde se han medido con precisión las cefeidas, que se encuentra a una distancia de alrededor de 130 millones de años luz.
Como declaró Riess en un comunicado de prensa de la ESA, los resultados han eliminado cualquier incertidumbre existente sobre los errores de medición:
Después de eliminar los errores de medición, solo queda la posibilidad emocionante de que hayamos mal entendido el Universo. Ahora podemos descartar con confianza un error de medición como la causa de la tensión del Hubble porque hemos abarcado todo el rango de lo que observó el Hubble.
En particular, estos resultados han eliminado cualquier duda persistente sobre la posibilidad de que las imprecisiones de medición aumenten con la distancia. La falta de precisión se debe al fenómeno conocido como «apiñamiento estelar», en el cual la luz de las Cefeidas se combina con la de las estrellas cercanas. Para muchos astrónomos, la posibilidad de observar el Universo más a fondo significaba que estos errores se revelarían. La presencia de polvo en los medios interestelares e intergalácticos (ISM, IGM), que oscurece naturalmente la luz visible, dificulta explicar este efecto.
Los astrónomos ahora pueden ver a través del polvo oscurecido y ver cefeidas más distantes gracias a las capacidades nítidas del Webb para capturar imágenes en longitudes de onda infrarrojas. El equipo SH0E concluyó que las observaciones del Hubble eran precisas después de combinarlas con otras observaciones. Riess afirmó que una fuerza invisible es responsable de la expansión del cosmos, por lo que los científicos solo tienen una explicación para la tensión de Hubble:
La combinación de los estudios del Webb y el Hubble nos ofrece lo mejor de ambos mundos. A medida que aumentamos la escala de distancias cósmicas, descubrimos que las mediciones del Hubble siguen siendo confiables. Es necesario averiguar si hay alguna forma de conectar el comienzo del Universo con el presente.
En los próximos años, los telescopios de próxima generación investigarán esta misteriosa fuerza invisible midiendo su impacto en la expansión cósmica. Esto incluye la próxima misión espacial Nancy Grace Roman de la NASA y la misión Euclid de la ESA, que comenzará a funcionar el 1 de julio de 2023. Los astrónomos podrán probar la «Energía Oscura temprana» y otras teorías que intentan explicar las observaciones de Hubble y Webb gracias a estas observaciones, junto con datos adicionales obtenidos por Webb. La «crisis de la cosmología» continuará, pero quizás no por mucho tiempo.
REFERENCIAS
The rate of expansion (known as the Hubble-Lemaitre Constant). lweb CFA Harvard, John P. Huchra: https://lweb.cfa.harvard.edu/~dfabricant/huchra/hubble/
Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy. SH0ES: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2006hst..prop10802R/abstract
Adam Riess: Bloomberg Distinguished Professor, Thomas J. Barber Professor of Physics and Astronomy, Nobel Laureate. Johns Hopkins: https://physics-astronomy.jhu.edu/directory/adam-riess/
Space Telescope Science Institute. STScI: https://www.stsci.edu/home
National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory. NOIRLab: https://noirlab.edu/public/about/
JWST Observations Reject Unrecognized Crowding of Cepheid Photometry as an Explanation for the Hubble Tension at 8σ Confidence. The Astrophysical Journal Letters: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad1ddd
Cosmic Microwave Background (CMB) radiation: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Herschel/Cosmic_Microwave_Background_CMB_radiation
Planck. ESA: https://www.esa.int/Enabling_Support/Operations/Planck
