Los astrónomos han utilizado el telescopio espacial Hubble de la NASA para realizar las mediciones más precisas de la tasa de expansión del universo desde que se calculó por primera vez hace casi un siglo. Curiosamente, los resultados obligan a los astrónomos a considerar que pueden estar viendo evidencia de algo inesperadoen el trabajo en el universo.
Esto se debe a que el último hallazgo del Hubble confirma una discrepancia persistente que muestra que el universo se está expandiendo más rápido ahora de lo que se esperaba de su trayectoria vista poco después del Big Bang. Los investigadores sugieren que puede haber una nueva física para explicar la inconsistencia.
"La comunidad realmente está tratando de entender el significado de esta discrepancia", dijo el investigador principal y Premio Nobel Adam Riess del Space Telescope Science Institute STScI y la Universidad Johns Hopkins, ambas en Baltimore, Maryland.
El equipo de Riess, que incluye a Stefano Casertano, también de STScI y Johns Hopkins, ha estado utilizando el Hubble durante los últimos seis años para refinar las mediciones de las distancias a las galaxias, utilizando sus estrellas como marcadores de hito. Estas mediciones se utilizan para calcular cómorápido, el universo se expande con el tiempo, un valor conocido como la constante de Hubble. El nuevo estudio del equipo extiende el número de estrellas analizadas a distancias hasta 10 veces más en el espacio que los resultados anteriores de Hubble.
Pero el valor de Riess refuerza la disparidad con el valor esperado derivado de las observaciones de la expansión del universo temprano, 378,000 años después del Big Bang, el evento violento que creó el universo hace aproximadamente 13.8 mil millones de años. Esas mediciones fueron hechas por el Espacio EuropeoEl satélite Planck de la Agencia, que mapea el fondo cósmico de microondas, una reliquia del big bang. La diferencia entre los dos valores es de aproximadamente el 9 por ciento. Las nuevas mediciones del Hubble ayudan a reducir la posibilidad de que la discrepancia en los valores sea una coincidencia de 1 en 5,000.
El resultado de Planck predijo que el valor constante del Hubble ahora debería ser de 67 kilómetros por segundo por megaparsec 3.3 millones de años luz, y no podría ser superior a 69 kilómetros por segundo por megaparsec. Esto significa que por cada 3.3 millones de años luzmás lejos está una galaxia de nosotros, se mueve 67 kilómetros por segundo más rápido, pero el equipo de Riess midió un valor de 73 kilómetros por segundo por megaparsec, lo que indica que las galaxias se mueven a un ritmo más rápido que lo que implican las observaciones del universo primitivo.
Los datos del Hubble son tan precisos que los astrónomos no pueden descartar la brecha entre los dos resultados como errores en una sola medición o método. "Ambos resultados han sido probados de varias maneras, por lo que salvo una serie de errores no relacionados", explicó Riess, "es cada vez más probable que esto no sea un error, sino una característica del universo ".
Explicando una discrepancia irritante
Riess describió algunas posibles explicaciones para el desajuste, todas relacionadas con el 95 por ciento del universo que está envuelto en la oscuridad. Una posibilidad es que la energía oscura, que ya se sabe que está acelerando el cosmos, puede estar alejando a las galaxias entre sícon una fuerza aún mayor, o creciente. Esto significa que la aceleración en sí misma podría no tener un valor constante en el universo, sino que cambia con el tiempo en el universo. Riess compartió un Premio Nobel por el descubrimiento del universo acelerado en 1998.
Otra idea es que el universo contiene una nueva partícula subatómica que viaja cerca de la velocidad de la luz. Estas partículas rápidas se denominan colectivamente "radiación oscura" e incluyen partículas previamente conocidas como los neutrinos, que se crean en reacciones nucleares y desintegraciones radiactivas.A diferencia de un neutrino normal, que interactúa por una fuerza subatómica, esta nueva partícula solo se vería afectada por la gravedad y se denomina "neutrino estéril".
Otra posibilidad atractiva más es que la materia oscura una forma invisible de materia que no está compuesta de protones, neutrones y electrones interactúa más fuertemente con la materia normal o la radiación de lo que se suponía anteriormente.
Cualquiera de estos escenarios cambiaría el contenido del universo primitivo, dando lugar a inconsistencias en los modelos teóricos. Estas inconsistencias darían como resultado un valor incorrecto para la constante de Hubble, inferido de las observaciones del cosmos joven. Este valor estaría en desacuerdocon el número derivado de las observaciones de Hubble.
Riess y sus colegas aún no tienen ninguna respuesta a este molesto problema, pero su equipo continuará trabajando para ajustar la tasa de expansión del universo. Hasta ahora, el equipo de Riess, llamado Supernova H0 para la Ecuación de Estado SH0ES, ha disminuido la incertidumbre a 2.3 por ciento. Antes del lanzamiento de Hubble en 1990, las estimaciones de la constante de Hubble variaban en un factor de dos. Uno de los objetivos clave de Hubble era ayudar a los astrónomos a reducir el valor de esta incertidumbre dentro de un error desolo el 10 por ciento. Desde 2005, el grupo ha estado en una búsqueda para refinar la precisión de la constante de Hubble a una precisión que permita una mejor comprensión del comportamiento del universo.
Construyendo una escalera de distancia fuerte
El equipo ha logrado refinar el valor constante de Hubble al racionalizar y fortalecer la construcción de la escala de distancia cósmica, que los astrónomos usan para medir distancias precisas a las galaxias cercanas y lejanas a la Tierra. Los investigadores han comparado esas distancias conexpansión del espacio medida por el estiramiento de la luz de las galaxias en retroceso. Luego, han utilizado la velocidad aparente de las galaxias hacia el exterior en cada distancia para calcular la constante de Hubble.
Pero el valor de la constante de Hubble es tan preciso como la precisión de las mediciones. Los astrónomos no pueden usar una cinta métrica para medir las distancias entre galaxias. En su lugar, han seleccionado clases especiales de estrellas y supernovas como criterios cósmicos o marcadores de hitos para determinar con precisiónmedir distancias galácticas
Entre las más confiables para distancias más cortas están las variables Cefeidas, estrellas pulsantes que se iluminan y atenúan a velocidades que corresponden a su brillo intrínseco. Por lo tanto, sus distancias se pueden inferir comparando su brillo intrínseco con su brillo aparente como se ve desde la Tierra.
La astrónoma Henrietta Leavitt fue la primera en reconocer la utilidad de las variables Cefeidas para medir las distancias en 1913. Pero el primer paso es medir las distancias a las Cefeidas independientemente de su brillo, usando una herramienta básica de geometría llamada paralaje. El paralaje es la aparentecambio de posición de un objeto debido a un cambio en el punto de vista de un observador. Esta técnica fue inventada por los antiguos griegos que la usaron para medir la distancia de la Tierra a la Luna.
El último resultado del Hubble se basa en mediciones del paralaje de ocho Cefeidas recientemente analizadas en nuestra galaxia, la Vía Láctea. Estas estrellas están aproximadamente 10 veces más lejos que cualquier estudio anterior, y residen entre 6,000 años luz y 12,000 años luz de la Tierra, haciéndolos más difíciles de medir. Pulsan a intervalos más largos, al igual que las Cefeidas observadas por Hubble en galaxias distantes que contienen otro criterio confiable, estrellas explosivas llamadas supernovas Tipo Ia. Este tipo de supernova estalla con un brillo uniforme y es lo suficientemente brillante como para servisto desde relativamente más lejos. Observaciones previas del Hubble estudiaron 10 Cefeidas de parpadeo más rápido ubicadas a 300 años luz a 1,600 años luz de la Tierra.
Escaneando las estrellas
Para medir el paralaje con el Hubble, el equipo tuvo que medir la aparente pequeña oscilación de las Cefeidas debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Estas oscilaciones son del tamaño de solo 1/100 de un solo píxel en la cámara del telescopio, que es aproximadamenteel tamaño aparente de un grano de arena visto a 100 millas de distancia.
Por lo tanto, para garantizar la precisión de las mediciones, los astrónomos desarrollaron un método inteligente que no se imaginó cuando se lanzó Hubble. Los investigadores inventaron una técnica de escaneo en la que el telescopio midió la posición de una estrella mil veces por minuto cada seis meses durantecuatro años.
El equipo calibró el verdadero brillo de las ocho estrellas que parpadeaban lentamente y las correlacionó de forma cruzada con sus primos parpadeantes más distantes para ajustar las inexactitudes en su escala de distancia. Los investigadores luego compararon el brillo de las Cefeidas y las supernovas en esas galaxias con mejoresconfianza, para que puedan medir con mayor precisión el verdadero brillo de las estrellas y, por lo tanto, calcular distancias a cientos de supernovas en galaxias lejanas con más precisión.
Otra ventaja de este estudio es que el equipo usó el mismo instrumento, Hubble's Wide Field Camera 3, para calibrar las luminosidades de las cefeidas cercanas y de otras galaxias, eliminando los errores sistemáticos que se introducen casi inevitablemente al comparar esas medicionesde diferentes telescopios.
"Ordinariamente, si cada seis meses intenta medir el cambio de posición de una estrella con respecto a otra a estas distancias, está limitado por su capacidad de averiguar exactamente dónde está la estrella", explicó Casertano. Utilizando la nueva técnica, Hubble se mueve lentamente sobre un objetivo estelar y captura la imagen como un rayo de luz ". Este método permite repetidas oportunidades para medir los desplazamientos extremadamente pequeños debido al paralaje", agregó Riess. "Estás midiendo la separación entre dos estrellas, no solo en un lugar de la cámara, sino una y otra vez miles de veces, lo que reduce los errores de medición ".
El objetivo del equipo es reducir aún más la incertidumbre mediante el uso de datos del Hubble y el observatorio espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea, que medirá las posiciones y distancias de las estrellas con una precisión sin precedentes ". Esta precisión es lo que se necesitará para diagnosticar la causade esta discrepancia ", dijo Casertano.
Los resultados del equipo han sido aceptados para su publicación por El diario astrofísico .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por NASA / Centro de vuelo espacial Goddard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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