Publicado: 
19 de mayo de 2022

Hubble alcanza un nuevo hito en el estudio de la velocidad de expansión del universo

Esta colección de 36 imágenes del telescopio espacial Hubble de la NASA presenta galaxias que albergan tanto estrellas variables cefeidas como supernovas. Estos dos fenómenos celestiales son herramientas cruciales que los astrónomos utilizan para determinar distancias astronómicas, y han sido empleadas para refinar nuestra medición de la constante de Hubble, la velocidad de expansión del universo.

Esta colección de 36 imágenes del telescopio espacial Hubble de la NASA presenta galaxias que albergan tanto estrellas variables cefeidas como supernovas. Estos dos fenómenos celestiales son herramientas cruciales que los astrónomos utilizan para determinar distancias astronómicas, y han sido empleadas para refinar nuestra medición de la constante de Hubble, la velocidad de expansión del universo. Las galaxias que se muestran en esta foto (desde la fila superior a la izquierda hasta la fila inferior a la derecha) son: NGC 7541, NGC 3021, NGC 5643, NGC 3254, NGC 3147, NGC 105, NGC 2608, NGC 3583, NGC 3147, Mrk 1337, NGC 5861, NGC 2525, NGC 1015, UGC 9391, NGC 691, NGC 7678, NGC 2442, NGC 5468, NGC 5917, NGC 4639, NGC 3972, galaxias de las Antenas, NGC 5584, M106, NGC 7250, NGC 3370, NGC 5728, NGC 4424, NGC 1559, NGC 3982, NGC 1448, NGC 4680, M101, NGC 1365, NGC 7329 y NGC 3447.
Créditos: NASA, ESA, Adam G. Riess (STScI, JHU)

Completando un maratón de casi 30 años, el telescopio espacial Hubble de la NASA ha calibrado más de 40 “marcadores de distancia” en el espacio y el tiempo para ayudar a los científicos a medir con precisión la velocidad de la expansión del universo. Ha sido una búsqueda con descubrimientos inesperados.

La búsqueda de la velocidad de expansión del universo comenzó en la década de 1920 con las mediciones de los astrónomos Edwin P. Hubble y Georges Lemaître. En 1998, esto llevó 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 hicieron otro descubrimiento inesperado: una discrepancia entre la velocidad de expansión medida en el universo local en comparación con las observaciones independientes del momento 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 raro está sucediendo, posiblemente relacionado con una nueva física.

‘Estamos obteniendo la medida más precisa de la velocidad de expansión del universo a partir del estándar de oro de los telescopios y los marcadores de distancias cósmicas”, dijo el Premio Nobel Adam Riess, investigador del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI, por sus siglas en inglés) y la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland.

Riess lidera una colaboración científica que investiga la velocidad de la expansión del universo, llamada SH0ES, que significa Supernova, H0, por la Ecuación de estado de la energía oscura. “Para hacer esto fue construido el telescopio espacial Hubble, utilizando las mejores técnicas que conocemos para hacerlo. Esta es probablemente la gran obra del Hubble, porque se necesitarían otros 30 años de vida del Hubble para apenas duplicar el tamaño de esta muestra”, dijo Riess.

El artículo científico del equipo de Riess, que se publicará en la edición de Enfoque Especial de The Astrophysical Journal, informa sobre la finalización de la mayor y probablemente la última actualización importante sobre la constante de Hubble. Los nuevos resultados duplican con creces la muestra anterior de marcadores de distancias cósmicas. Su equipo también volvió a analizar todos los datos anteriores, con todo el conjunto de datos que ahora incluye más de 1.000 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 que involucraba fue poder investigar las cefeidas, estrellas que se iluminan y se apagan periódicamente, que se observan dentro de nuestra Vía Láctea y otras galaxias externas. Las cefeidas han sido durante mucho tiempo el estándar de oro de los marcadores de distancias cósmicas desde que su utilidad fue descubierta por la astrónoma Henrietta Swan Leavitt en 1912. Para calcular distancias mucho mayores, los astrónomos utilizan estrellas en explosión llamadas supernovas de tipo Ia.

Combinados, estos objetos construyeron una “escalera de distancias cósmicas” a través del universo y son esenciales para medir la rapidez de la expansión del universo, llamada constante de Hubble en honor a Edwin Hubble. Ese valor es fundamental para estimar la edad del universo y proporciona un recurso básico para poner a prueba nuestra comprensión del universo.

Comenzando justo después del lanzamiento del Hubble en 1990, el primer conjunto de observaciones de estrellas cefeidas para refinar la constante de Hubble fue llevado a cabo por dos equipos: el Proyecto Clave HST dirigido por Wendy Freedman, Robert Kennicutt, Jeremy Mould y Marc Aaronson; y otro dirigido por Allan Sandage y colaboradores, que utilizó las cefeidas como hitos marcadores de distancia para refinar la medición de las distancias a 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 de distancia (un megaparsec equivale a unos 3,26 millones de años luz).

En 2005 y nuevamente en 2009, la adición de nuevas y poderosas cámaras a bordo del telescopio Hubble lanzó la “segunda generación” de la investigación sobre la constante de Hubble, mientras los equipos se proponían refinar el valor a una precisión de solo el uno por ciento. Esta etapa fue iniciada con el programa SH0ES. Varios equipos de astrónomos que utilizan el Hubble, incluido el equipo de SH0ES, han convergido en un valor de Hubble constante de 73 más o menos 1 kilómetro por segundo por megaparsec. Si bien se han utilizado otros enfoques para investigar la pregunta de la constante de Hubble, diferentes equipos han llegado a valores cercanos al mismo número.

El equipo de SH0ES incluye a líderes de larga data: los doctores Wenlong Yuan, de la Universidad Johns Hopkins; Lucas Macri, de la Universidad A&M de Texas; Stefano Casertano, del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI, por sus siglas en inglés), y Dan Scolnic de la Universidad de Duke. El proyecto fue diseñado para determinar los orígenes y la evolución del universo, relacionando la precisión de la constante de Hubble inferida del estudio sobre la radiación del fondo cósmico de microondas que quedó desde los comienzos del universo.

“La constante de Hubble es un número muy especial. Se puede usar para hacer un hilo conector desde el pasado hasta el presente para poner a prueba nuestra comprensión del universo de punta a punta. Esto requirió una cantidad fenomenal de trabajo detallado”, dijo la doctora Licia Verde, cosmóloga de la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) y del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona, refiriéndose al trabajo del equipo de SH0ES.

El equipo midió 42 de los marcadores de distancias de supernovas con el Hubble. Debido a que se ven explotar a razón de aproximadamente una por año, Hubble, para todos los propósitos prácticos, ha registrado tantas supernovas como ha sido 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”.

¿Una rara forma de física?

Se había predicho que la velocidad 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 cósmico de microondas fosilizado 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 de 73 del equipo de SH0ES.

Dado el gran tamaño de la muestra del Hubble, Riess dijo que solo hay una posibilidad en un millón de que los astrónomos se equivoquen debido a una selección desafortunada, lo cual es un umbral común para que un problema en el campo de la física se tome en serio. Este hallazgo está desentrañando lo que se estaba convirtiendo en una imagen bonita y prolija de la evolución dinámica del universo. Los astrónomos no tienen una explicación para la desconexión entre la velocidad de la expansión del universo local en comparación con el universo primigenio, pero la respuesta podría implicar una física adicional del universo.

Estos hallazgos confusos han hecho la vida más emocionante para cosmólogos como Riess. Hace treinta años comenzaron a medir la constante de Hubble para emplearla como una referencia para estudiar el universo, pero ahora se ha convertido en algo aún más interesante. “En realidad, no me importa específicamente cuál es el valor de expansión, pero me gusta usarlo para aprender sobre el universo”, agregó Riess.

El nuevo telescopio espacial Webb de la NASA expandirá el trabajo del Hubble al mostrar estos marcadores cósmicos a distancias mayores o a una resolución más nítida de lo que el Hubble puede ver.

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI, por sus siglas en inglés) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. El STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, en Washington D.C.

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