¿Qué tan rápido se está expandiendo el Universo?

A lo largo de la historia cósmica, la tasa de expansión del Universo ha ido en aumento debido al efecto acelerador de la energía oscura, por lo que, la “constante” de Hubble (H₀) sólo es realmente constante por un período de tiempo determinado. Sin embargo, existe una tensión creciente entre el valor de H₀ predicho por la ciencia del Universo temprano y las medidas locales de H₀ calculadas con marcadores de distancias como las estrellas variables Cefeidas, las supernovas de Tipo Ia y las estrellas gigantes rojas.

“Si todas las diferentes rutas convergen en un valor de H₀ en el Universo tardío que discrepa con el valor predicho basado en el Universo temprano, entonces la tensión es real y nos dice que el Universo es más maravilloso de lo que habíamos imaginado”, comenta Blakeslee.

John Blakeslee es el Jefe del Personal de Ciencias para Soporte de Observatorio en NOIRLab.

Credit: J. Blakeslee

¿Sabías que no importa dónde te encuentres en el Universo, verás el cosmos expandiéndose a la misma velocidad?

Los astrónomos han intentado medir H₀ con mayor precisión desde 1929, cuando Edwin Hubble descubrió que el Universo se estaba expandiendo. De forma independiente, él y el matemático y físico belga Georges Lemaître desarrollaron una sencilla ecuación matemática para describir esta expansión, conocida como la ley de Hubble–Lemaître. Y es la siguiente: la velocidad por la cual una galaxia se aleja de nosotros debido a la expansión cósmica es igual a H₀ multiplicada por la distancia hacia esa galaxia. Es posible que la hayan visto escrita de forma abreviada como v = H₀ d.

H₀ está escrita en unidades de kilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc; un parsec corresponde a 3,26 años luz, y un megaparsec corresponde a un millón de parsecs). El equipo de Blakeslee llegó a la conclusión de que H₀ corresponde a 73,3 km/s/Mpc, lo cual, de ser correcto, significa que cada megaparsec del espacio se expande 73,3 kilómetros por segundo.

Ha sido un largo viaje para que los astrónomos puedan hacer mediciones precisas de H₀.

Los primeros intentos para medirlo, realizados por el propio Edwin Hubble en 1929, eran parcialmente imprecisos debido a las limitaciones de las capacidades técnicas de los telescopios, pero también a causa de un entendimiento incompleto de los marcadores estándar.

Blakeslee y su equipo examinaron cuidadosamente los datos de la Cámara de Campo Amplio (WFC3) del Telescopio Espacial Hubble.

Credit: ESA/Hubble

Los astrónomos usan marcadores estandarizables para medir distancias a lo largo de grandes extensiones de espacio que incluyen las mencionadas variables Cefeidas, supernovas de Tipo Ia y estrellas gigantes rojas. Se les llama estandarizables porque su luminosidad máxima es relativamente fácil de predecir, y si conocemos la luminosidad intrínseca de un objeto celeste, los astrónomos pueden determinar a qué distancia podría estar basándose en su brillo aparente. Por otra parte, la velocidad en la cual una galaxia se aleja de nosotros con la expansión del espacio se puede determinar mediante su corrimiento al rojo o redshift.

La estimación de H₀ de Edwin Hubble en 1929 era de 500 km/s/Mpc, pero la confusión entre los diferentes tipos de estrellas variables Cefeidas sesgó su valor. Sin embargo, su medición se mantuvo por más de 20 años, hasta que las observaciones del Telescopio Hale de 200 pulgadas en el Monte Palomar lograron aclarar las cosas. Los astrónomos comenzaron a decantarse por una de las dos posturas: Aquellos, liderados por Allan Sandage, que debatían por un valor de H₀ más cercano a 50 km/s/Mpc; y aquellos como Gerard de Vaucouleurs que creían que era más alto: 100 km/s/Mpc.

Una representación artística que muestra las diferentes mediciones de la constante de Hubble por diferentes misiones y métodos. Un agradecimiento especial a Adam Riess, quien inventó la versión original de esta ilustración. Clave: CMB (fondo cósmico de microondas), WMAP (Sonda de anisotropía de microondas Wilkinson), BAO (Oscilación acustica bariónica), nucleosíntesis BB (Big Bang), DES (Estudio de energía oscura), Lambda CDM (Lambda Cold Dark Matter), TRGB (Tip de la rama gigante roja).

Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

Con el tiempo, las mediciones comenzaron a encontrarse en el medio, y a finales de siglo, las expectativas eran que H₀ se encontraba entre 65 y 80 km/s/Mpc, pero las mediciones seguían siendo muy imprecisas para poder determinarlas.

Luego, llegó la misión Planck de la Agencia Espacial Europea, que observó la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB por sus siglas en inglés) entre 2009 y 2013, proporcionando a los astrónomos las observaciones del CMB más detalladas hasta la fecha. Al aplicar nuestros mejores modelos cosmológicos para entender las características vistas en el CMB, los científicos pudieron extrapolar y predecir cuál sería el valor de H₀ en la actualidad. Planck descubrió, con una incertidumbre menor al 1%, que H₀ corresponde a 67,4 km/s/Mpc.

Los astrónomos han intentado medir H₀ de forma más precisa desde 1929, cuando Edwin Hubble descubrió que el Universo se estaba expandiendo

Pisándole los talones a las mediciones de Planck, llegó un cambio tremendo: En 2016, astrónomos de la Universidad Johns Hopkins, liderados por Adam Riess, calcularon que H₀ corresponde a 73,2 km/s/Mpc, con una incertidumbre menor al 2%, luego de utilizar variables Cefeidas para calibrar mediciones de distancia de supernovas de Tipo Ia.

No existe superposición entre las incertidumbres de estas dos mediciones, y ningún indicio evidente de dónde se podría haber cometido un error; entonces, ¿por qué son diferentes los valores de H₀?

Los resultados se han visto agravados por el hecho de que otras mediciones del Universo temprano coinciden con los hallazgos de Planck, mientras que otras mediciones más locales de estrellas y galaxias coinciden con las mediciones de las supernovas. La consecuencia es que podría haber un error en nuestra comprensión del Universo.

La implicación es que podría haber algo mal en nuestra comprensión del Universo

El grupo científico de Blakeslee ha aportado más evidencia sobre esta discrepancia de valores. Para obtener su valor de H₀ de 73,3 km/s/Mpc, examinaron los datos de archivo de la Cámara de Campo Amplio 3 (WFC) del Telescopio Espacial Hubble para estudiar 63 galaxias elípticas gigantes hasta una distancia de 100 Mpc, para encontrar fluctuaciones de brillo superficial (SBF) en el brillo general de las galaxias, y luego utilizaron la técnica SBF para determinar la distancia hacia cada galaxia.

“Dado que las estrellas gigantes rojas que causan principalmente las fluctuaciones en galaxias elípticas emiten la mayor parte de su luz en el infrarrojo cercano, el método se vuelve mucho más potente utilizando los datos infrarrojos espaciales de alta calidad de la cámara WFC3 del Hubble”, dice Blakeslee. “Nos tomó muchos años reunir una muestra suficiente y analizar todos los datos, pero ahora tenemos, por lejos, la mejor medición jamás realizada de H₀ obtenida del SBF”.

El valor de la constante de Hubble de Blakeslee y su equipo se acerca mucho a la que se obtuvo de las mediciones de supernovas de Tipo Ia y estudios de cuásares con lentes gravitacionales (impresión artística)

Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

Su valor de H₀ se acerca mucho al valor obtenido de las mediciones de supernovas de Tipo Ia y estudios de cuásares con lentes gravitacionales, pero esto no significa que el asunto esté concluido, pues se requieren muchas más mediciones para mejorar las probabilidades de que estas mediciones sean correctas, y no un error o casualidad estadística. Dado que hay muchas más galaxias elípticas que supernovas de Tipo Ia, el método SBF puede desempeñar un papel importante al expandir enormemente el número de puntos de referencias.

Actualmente, la precisión del método de SBF es algo más del 3%, comparado con el 2% de las supernovas de Tipo Ia y el 1% de Planck. Sin embargo, cuando las observaciones del próximo Telescopio Espacial James Webb se combinen con las mediciones astrométricas de la sonda espacial Gaia, deberían reducir la precisión de SBF a más del 2%.

“En ese momento, la tensión de la constante de Hubble se habrá esfumado o, como parece cada vez más probable, será la prueba de una nueva física fundamental”, comenta Blakeslee.