“Vimos morir la misma estrella cinco veces”: ¿Qué sabemos sobre cómo se expande el Universo?

¿Cómo hemos llegado hasta aquí? ¿Adónde vamos? ¿Y cuánto tiempo tardará? Estas preguntas son tan antiguas como la humanidad misma y, si ya han sido formuladas por otras especies en otras partes del Universo, potencialmente mucho más antiguas que eso.

También son algunas de las preguntas fundamentales que estamos tratando de responder en el estudio del Universo, llamado cosmología. Un enigma cosmológico es qué tan rápido se está expandiendo el Universo, que se mide por un número llamado constante de Hubble. Y hay bastante tensión a su alrededor.

En dos nuevos artículos dirigidos por mi colega Patrick Kelly en la Universidad de Minnesota, hemos utilizado con éxito una nueva técnica, que involucra la luz de una estrella en explosión que llegó a la Tierra a través de múltiples rutas sinuosas a través del Universo en expansión, para medir la constante de Hubble. Los artículos fueron publicados en Science y The Astrophysical Journal.

Y si nuestros resultados no resuelven del todo la tensión, nos dan otra pista y más preguntas que hacer.

Hemos sabido desde la década de 1920 que el Universo se está expandiendo. Alrededor de 1908, la astrónoma estadounidense Henrietta Leavitt encontró una manera de medir el brillo intrínseco de un tipo de estrella llamada variable Cefeida, no cuán brillantes aparecen desde la Tierra, que depende de la distancia y otros factores, sino cuán brillantes son realmente. Las cefeidas se vuelven más brillantes y tenues en un ciclo regular, y Leavitt mostró que el brillo intrínseco estaba relacionado con la duración de este ciclo.

La Ley de Leavitt, como se llama ahora, permite a los científicos usar Cefeidas como “velas estándar”: objetos cuyo brillo intrínseco es conocido y, por lo tanto, cuya distancia se puede calcular.

¿Cómo funciona esto? Imagina que es de noche, y estás parado en una calle larga y oscura con solo unos pocos postes de luz que bajan por la carretera. Ahora imagina que cada poste de luz tiene el mismo tipo de bombilla, con la misma potencia. Notarás que los distantes parecen más débiles que los cercanos.

Sabemos que la luz se desvanece proporcionalmente a su distancia, en algo llamado la ley del cuadrado inverso para la luz. Ahora, si puedes medir qué tan brillante te parece cada luz, y si ya sabes qué tan brillante debería ser, entonces puedes averiguar qué tan lejos está cada poste de luz.

En 1929, otro astrónomo estadounidense, Edwin Hubble, pudo encontrar varias de estas estrellas Cefeidas en otras galaxias y medir su distancia, y a partir de esas distancias y otras mediciones, pudo determinar que el Universo se estaba expandiendo.

Este método estándar de vela es poderoso, lo que nos permite medir el vasto Universo. Siempre estamos buscando diferentes velas que puedan medirse mejor y verse a distancias mucho mayores.

Algunos esfuerzos recientes para medir el Universo más lejos de la Tierra, como el proyecto SH0ES del que formé parte, dirigido por el premio Nobel Adam Riess, han utilizado Cefeidas junto con un tipo de estrella en explosión llamada supernova de Tipo Ia, que también se puede usar como una vela estándar.

También hay otros métodos para medir la constante de Hubble, como uno que utiliza el fondo cósmico de microondas: luz reliquia o radiación que comenzó a viajar a través del Universo poco después del Big Bang.

El problema es que estas dos mediciones, una cercana usando supernovas y Cefeidas, y otra mucho más lejos usando el fondo de microondas, difieren en casi un 10%. Los astrónomos llaman a esta diferencia la tensión de Hubble, y han estado buscando nuevas técnicas de medición para resolverla.

En nuestro nuevo trabajo, hemos utilizado con éxito una nueva técnica para medir esta tasa de expansión del Universo. El trabajo se basa en una supernova llamada Supernova Refsdal.

En 2014, nuestro equipo detectó múltiples imágenes de la misma supernova, la primera vez que se observaba una supernova con “lentes”. En lugar de que el Telescopio Espacial Hubble viera una supernova, ¡vimos cinco!

¿Cómo sucede esto? La luz de la supernova salió en todas direcciones, pero viajó a través del espacio deformada por los enormes campos gravitacionales de un enorme cúmulo de galaxias, que doblaron parte del camino de la luz de tal manera que terminó llegando a la Tierra a través de múltiples rutas. Cada aparición de la supernova nos había llegado por un camino diferente a través del Universo.

Imagina tres trenes saliendo de la misma estación al mismo tiempo. Sin embargo, uno va directamente a la siguiente estación, el otro hace un amplio viaje a través de las montañas, y otro a través de la costa. Todos salen y llegan a las mismas estaciones, pero hacen diferentes viajes y, aunque se van al mismo tiempo, llegarán en diferentes momentos.

Así que nuestras imágenes con lentes muestran la misma supernova, que explotó en un cierto punto en el tiempo, pero cada imagen ha recorrido un camino diferente. Al observar la llegada a la Tierra de cada aparición de la supernova, una de las cuales ocurrió en 2015, después de que la estrella en explosión ya había sido vista, pudimos medir su tiempo de viaje y, por lo tanto, cuánto había crecido el Universo mientras la imagen estaba en tránsito.

Esto nos dio una medida diferente, pero única, del crecimiento del Universo. En los documentos, encontramos que esta medición está más cerca de la medición del fondo cósmico de microondas, en lugar de la cercana medición de Cefeida y supernova. Sin embargo, según su ubicación, debería estar más cerca de la medición de Cefeidas y supernovas.

Si bien esto no resuelve el debate en absoluto, nos da otra pista para mirar. Podría haber un problema con el valor de la supernova, o nuestra comprensión de los cúmulos de galaxias y los modelos para aplicar a las lentes, o algo completamente diferente.

Al igual que los niños en la parte trasera del coche en un viaje por carretera preguntando “¿ya hemos llegado?”, todavía no lo sabemos.

*Brad E. Tucker es astrofísico de la Universidad Nacional de Australia.