La historia de la ciencia registrará que la búsqueda de la tasa de expansión del Universo fue el gran Santo Grial de la cosmología del siglo XX. Sin ninguna evidencia observacional de que el espacio se expanda, se contraiga o se detenga, no tendríamos idea de si el Universo iba o venía. Es más, tampoco tendríamos idea de su edad, o de si el Universo es eterno.
El primer acto de esta revelación se produjo cuando, hace un siglo, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió una miríada de galaxias fuera de nuestra galaxia natal, la Vía Láctea. Y las galaxias no se quedaron quietas. Hubble descubrió que cuanto más lejos está una galaxia, más rápido parece alejarse de nosotros. Esto podría interpretarse como la expansión uniforme del espacio. Hubble incluso dijo que estudió las galaxias simplemente como “marcadores del espacio”.
Sin embargo, nunca estuvo completamente convencido de la idea de un universo en expansión uniforme. Sospechaba que sus medidas podrían ser evidencia de algo más extraño estaba sucediendo en el Universo.
Durante décadas después de Hubble, los astrónomos se han esforzado por determinar la tasa de expansión que arrojaría una edad real para el Universo. Esto requirió construir una cadena de escalas de distancia cósmica ensambladas a partir de fuentes en las que los astrónomos tengan una confianza razonable en su brillo intrínseco. Los marcadores de hitos detectables más brillantes y, por lo tanto, más lejanos son las supernovas de tipo Ia.
Cuando se lanzó el telescopio espacial Hubble en 1990, la tasa de expansión del Universo era tan incierta que su edad podría ser solo de 8 mil millones de años o tan grande como 20 mil millones de años.
Después de 30 años de meticuloso trabajo utilizando el extraordinario poder de observación del telescopio Hubble, numerosos equipos de astrónomos han reducido la tasa de expansión a una precisión de poco más del 1%. Esto se puede usar para predecir que el Universo se duplicará en tamaño en 10 mil millones de años.
La medición es unas ocho veces más precisa que la capacidad esperada del Hubble. Pero se ha convertido en algo más que refinar un número para los cosmólogos. Mientras tanto, se descubrió el misterio de la energía oscura que separa al Universo. Para complicar aún más las cosas, la tasa de expansión actual es diferente de lo que se espera que sea, ya que el universo apareció poco después del Big Bang.
Crees que esto frustraría a los astrónomos, pero en cambio abre la puerta al descubrimiento de nueva física y a la confrontación de preguntas imprevistas sobre el funcionamiento subyacente del universo. Y, finalmente, recordándonos que tenemos mucho más que aprender entre las estrellas.
Completando un maratón de casi 30 años, el telescopio espacial Hubble de la Nasa ha calibrado más de 40 “marcadores de hitos” de espacio y tiempo para ayudar a los científicos a medir con precisión la tasa de expansión del Universo, una búsqueda con un giro en la trama.
Una vieja búsqueda
La búsqueda de la tasa de expansión del Universo comenzó en la década de 1920 con mediciones realizadas por los astrónomos Edwin P. Hubble y Georges Lemaître. En 1998, esto condujo al descubrimiento de la “energía oscura”, una misteriosa fuerza repulsiva que acelera la expansión del Universo. En los últimos años, gracias a los datos del Hubble y otros telescopios, los astrónomos encontraron otro giro: una discrepancia entre la tasa de expansión medida en el universo local en comparación con las observaciones independientes justo después del Big Bang, que predicen un valor de expansión diferente.
La causa de esta discrepancia sigue siendo un misterio. Pero los datos del Hubble, que abarcan una variedad de objetos cósmicos que sirven como marcadores de distancia, respaldan la idea de que algo extraño está sucediendo, posiblemente relacionado con una nueva física.
“Estás obteniendo la medida más precisa de la tasa de expansión del universo a partir del patrón oro de los telescopios y los marcadores de millas cósmicas”, dijo en un comunicado el Premio Nobel Adam Riess del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) y la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland.
Riess lidera una colaboración científica que investiga la tasa de expansión del universo llamada SHOES, que significa Supernova, H 0 , para la Ecuación del Estado de la Energía Oscura. “Esto es para lo que se construyó el Telescopio Espacial Hubble, utilizando las mejores técnicas que conocemos para hacerlo. Esta es probablemente la obra maestra del Hubble, porque tomaría otros 30 años de vida del Hubble incluso duplicar este tamaño de muestra”, dijo Riess. .
El artículo del equipo de Riess, que se publicará en la edición Special Focus de The Astrophysical Journal, informa sobre la finalización de la mayor y probablemente la última actualización importante de la constante de Hubble. Los nuevos resultados duplican con creces la muestra anterior de marcadores de distancia cósmica. Su equipo también volvió a analizar todos los datos anteriores, y ahora el conjunto de datos completo incluye más de 1000 órbitas del Hubble.
Cuando la Nasa concibió un gran telescopio espacial en la década de 1970, una de las principales justificaciones para el gasto y el extraordinario esfuerzo técnico fue poder resolver las cefeidas, estrellas que se iluminan y oscurecen periódicamente, vistas dentro de nuestra Vía Láctea y galaxias externas. Las cefeidas han sido durante mucho tiempo el estándar de oro de los marcadores de millas cósmicas desde que la astrónoma Henrietta Swan Leavitt descubrió su utilidad en 1912. Para calcular distancias mucho mayores, los astrónomos usan estrellas en explosión llamadas supernovas Tipo Ia.
Combinados, estos objetos construyeron una “escalera de distancia cósmica” a través del Universo y son esenciales para medir su tasa de expansión, llamada constante de Hubble en honor a Edwin Hubble. Ese valor es fundamental para estimar la edad del Universo y proporciona una prueba básica de nuestra comprensión del Universo.
Comenzando justo después del lanzamiento del Hubble en 1990, dos equipos llevaron a cabo el primer conjunto de observaciones de estrellas Cefeidas para refinar la constante de Hubble: el Proyecto Clave HST dirigido por Wendy Freedman, Robert Kennicutt y Jeremy Mould, Marc Aaronson y otro por Allan Sandage y colaboradores, que usaron cefeidas como marcadores de hitos para refinar la medición de la distancia a las galaxias cercanas. A principios de la década de 2000, los equipos declararon “misión cumplida” al alcanzar una precisión del 10 por ciento para la constante de Hubble, 72 más o menos 8 kilómetros por segundo por megaparsec.
En 2005 y nuevamente en 2009, la adición de nuevas y poderosas cámaras a bordo del telescopio Hubble lanzó la “Generación 2″ de la investigación constante del Hubble mientras los equipos se disponían a refinar el valor a una precisión de solo el uno por ciento. Este fue inaugurado por el programa SHOES. Varios equipos de astrónomos que utilizan Hubble, incluido Z, han convergido en un valor constante de Hubble de 73 más o menos 1 kilómetro por segundo por megaparsec. Si bien se han utilizado otros enfoques para investigar la pregunta constante de Hubble, diferentes equipos han encontrado valores cercanos al mismo número.
El equipo de SHOES incluye líderes desde hace mucho tiempo, el Dr. Wenlong Yuan de la Universidad Johns Hopkins, el Dr. Lucas Macri de la Universidad Texas A&M, el Dr. Stefano Casertano de STScI y el Dr. Dan Scolnic de la Universidad de Duke. El proyecto fue diseñado para poner entre paréntesis al Universo igualando la precisión de la constante de Hubble inferida del estudio de la radiación de fondo cósmico de microondas que quedó del amanecer del universo.
“La constante de Hubble es un número muy especial. Se puede usar para enhebrar una aguja desde el pasado hasta el presente para una prueba de extremo a extremo de nuestra comprensión del Universo. Esto requirió una cantidad fenomenal de trabajo detallado”, dijo. La Dra. Licia Verde, cosmóloga de ICREA y del ICC-Universidad de Barcelona, hablando sobre el trabajo del equipo SHOES.
El equipo midió 42 de los marcadores de hitos de supernova con el Hubble. Debido a que se las ve explotar a un ritmo de aproximadamente una por año, el Hubble ha registrado, a todos los efectos prácticos, tantas supernovas como sea posible para medir la expansión del universo. Riess dijo: “Tenemos una muestra completa de todas las supernovas accesibles al telescopio Hubble vistas en los últimos 40 años”. Al igual que la letra de la canción “Kansas City”, del musical de Broadway Oklahoma, el Hubble “ha ido tan furioso como puede”.
¿Física extraña?
Se predijo que la tasa de expansión del Universo sería más lenta de lo que realmente ve el Hubble. Al combinar el Modelo Cosmológico Estándar del Universo y las mediciones de la misión Planck de la Agencia Espacial Europea (que observó el fondo de microondas cósmico reliquia de hace 13.800 millones de años), los astrónomos predicen un valor más bajo para la constante de Hubble: 67,5 más o menos 0,5 kilómetros por segundo por megaparsec, en comparación con la estimación del equipo SHOES de 73.
Dado el gran tamaño de la muestra del Hubble, solo hay una posibilidad entre un millón de que los astrónomos se equivoquen debido a un sorteo desafortunado, dijo Riess, un umbral común para tomar en serio un problema en física. Este hallazgo está desenredando lo que se estaba convirtiendo en una imagen agradable y ordenada de la evolución dinámica del Universo. Los astrónomos no encuentran una explicación de la desconexión entre la tasa de expansión del Universo local frente al Universo primigenio, pero la respuesta podría implicar física adicional del Universo.
Tales hallazgos confusos han hecho la vida más emocionante para cosmólogos como Riess. Hace 30 años comenzaron a medir la constante de Hubble para comparar el Universo, pero ahora se ha convertido en algo aún más interesante. “En realidad, no me importa cuál sea el valor de expansión específicamente, pero me gusta usarlo para aprender sobre el Universo”, agregó Riess.
El nuevo Telescopio Espacial Webb de la Nasa ampliará el trabajo del Hubble al mostrar estos marcadores cósmicos de hitos a mayores distancias o con una resolución más nítida de lo que el Hubble puede ver.
