Nuevas mediciones cósmicas profundizan el misterio de la tensión de Hubble

Los cosmólogos enfrentaron un enigma sin resolver: no todos coinciden en la velocidad de expansión del universo. Resolver este dilema podría señalar la existencia de nueva física. Para detectar errores ocultos en las mediciones tradicionales, que se basan en marcadores como supernovas, los astrónomos buscaron nuevas formas de rastrear la expansión cósmica. Recientemente, un equipo de investigadores, incluyendo a científicos de la Universidad de Tokio, midió el crecimiento del universo utilizando técnicas innovadoras y datos de algunos de los telescopios más avanzados disponibles.

Su enfoque aprovechó el hecho de que la luz de objetos extremadamente distantes puede viajar hacia nosotros por diferentes caminos. Comparar estas rutas permitió refinar los modelos sobre lo que ocurre en las escalas más grandes del universo, incluyendo cómo se está estirando el espacio mismo.

¿Qué tan rápido se expande el universo?

El universo es vasto y sigue creciendo. Aunque su tamaño exacto es desconocido, su tasa de expansión puede medirse. Este proceso es más complicado de lo que parece, ya que la expansión parece más rápida al observar regiones más distantes del espacio. Por cada 3.3 millones de años luz (o un megaparsec) de distancia desde la Tierra, los objetos a esa distancia parecen alejarse a unos 73 kilómetros por segundo. Este valor, conocido como la constante de Hubble, es fundamental para entender la expansión del universo.

Escalones de distancia y un nuevo método para medir la constante de Hubble

Los científicos han desarrollado varios métodos para estimar la constante de Hubble, todos ellos basados en escalones de distancia construidos a partir de objetos como supernovas y estrellas variables Cepheid. A lo largo de décadas de observaciones, el rango permitido para la constante de Hubble se ha vuelto más estrecho, aunque siempre ha existido cierta incertidumbre sobre la fiabilidad de este enfoque. Por ello, los cosmólogos están ansiosos por probar alternativas.

En su último estudio, un equipo de astrónomos, que incluye al profesor asistente Kenneth Wong y al investigador postdoctoral Eric Paic del Centro de Investigación para el Universo Temprano de la Universidad de Tokio, demostró con éxito una técnica llamada cosmografía de retraso temporal. Este método podría reducir la dependencia del campo en los escalones de distancia y tener aplicaciones valiosas en otras ramas de la cosmología.

Uso de lentes gravitacionales como herramienta de medición cósmica

"Para medir la constante de Hubble utilizando la cosmografía de retraso temporal, se necesita una galaxia masiva que actúe como lente", explicó Wong. "La gravedad de esta 'lente' desvía la luz de objetos ocultos detrás de ella, por lo que vemos una versión distorsionada de ellos. Si las circunstancias son adecuadas, veremos múltiples imágenes distorsionadas, cada una de las cuales habrá tomado un camino ligeramente diferente para llegar a nosotros, tomando diferentes cantidades de tiempo. Al buscar cambios idénticos en estas imágenes que están ligeramente desincronizados, podemos medir la diferencia en el tiempo que tardaron en alcanzarnos. Al combinar estos datos con estimaciones sobre la distribución de la masa de la lente galáctica que las distorsiona, podemos calcular la aceleración de objetos distantes con mayor precisión. La constante de Hubble que medimos está dentro de los rangos apoyados por otros modos de estimación."

La tensión de Hubble: visiones conflictivas del universo en expansión

Puede parecer desconcertante que los investigadores dediquen tanto esfuerzo a refinar un número que ya ha sido medido muchas veces. La razón es que este valor es fundamental para que los científicos reconstruyan la historia y evolución del universo, y existe una discrepancia seria y no resuelta. El valor de 73 km/s/Mpc para la constante de Hubble coincide con observaciones de objetos relativamente cercanos. Sin embargo, hay otros métodos para inferir la tasa de expansión cósmica que miran mucho más atrás en el tiempo. Un método clave utiliza la radiación que llena el universo y que se remonta al Big Bang, conocida como el fondo cósmico de microondas (CMB). Al analizar el CMB para estimar la constante de Hubble, los científicos obtienen un valor más bajo de 67 km/s/Mpc.

Esta discrepancia entre 73 km/s/Mpc y 67 km/s/Mpc se denomina tensión de Hubble. El trabajo de Wong, Paic y sus colegas ayuda a iluminar lo que podría estar causando esta tensión, en un momento en que aún no está claro si la discrepancia se debe simplemente a incertidumbres experimentales o apunta a algo más profundo.

¿La tensión de Hubble apunta a nueva física?

"Nuestra medición de la constante de Hubble es más consistente con otras observaciones actuales y menos consistente con mediciones del universo temprano. Esta es evidencia de que la tensión de Hubble puede surgir de una física real y no solo de alguna fuente desconocida de error en los diversos métodos", afirmó Wong. "Nuestra medición es completamente independiente de otros métodos, tanto del universo temprano como del tardío, por lo que si hay incertidumbres sistemáticas en esos métodos, no deberíamos vernos afectados por ellas."

"El enfoque principal de este trabajo fue mejorar nuestra metodología, y ahora necesitamos aumentar el tamaño de la muestra para mejorar la precisión y resolver decisivamente la tensión de Hubble", agregó Paic. "En este momento, nuestra precisión es de aproximadamente 4.5%, y para realmente determinar la constante de Hubble a un nivel que confirme definitivamente la tensión de Hubble, necesitamos alcanzar una precisión de alrededor del 1-2%."

Más lentes, más cuásares y mayor precisión

Los investigadores son optimistas sobre alcanzar este nivel de precisión más alto. En el estudio actual, analizaron ocho sistemas de lentes de retraso temporal. Cada sistema contiene una galaxia en primer plano que actúa como lente y bloquea nuestra vista directa de un cuásar distante (un agujero negro supermasivo que está acumulando gas y polvo, lo que le hace brillar intensamente). También incorporaron nuevas observaciones de observatorios de vanguardia, tanto espaciales como terrestres, incluyendo el Telescopio Espacial James Webb. De cara al futuro, el equipo planea ampliar el número de sistemas de lentes que estudian, refinar sus mediciones e identificar o eliminar cuidadosamente cualquier fuente sistemática de error que quede.

Incertidumbres en la distribución de masa y un esfuerzo global en cosmología

"Una de las mayores fuentes de incertidumbre es que no sabemos exactamente cómo se distribuye la masa en las galaxias lentes. Se asume generalmente que la masa sigue un perfil simple que es consistente con las observaciones, pero es difícil estar seguros, y esta incertidumbre puede influir directamente en los valores que calculamos", comentó Wong. "La tensión de Hubble es importante, ya que puede señalar una nueva era en cosmología que revela nueva física. Nuestro proyecto es el resultado de una colaboración de décadas entre múltiples observatorios y investigadores independientes, destacando la importancia de la colaboración internacional en la ciencia."

El financiamiento para este trabajo fue proporcionado por NASA (subvenciones 80NSSC22K1294 y HST-AR-16149), la Max Planck Society (Max Planck Fellowship), la Deutsche Forschungsgemeinschaft bajo la Estrategia de Excelencia de Alemania (EXC-2094, 390783311), la National Science Foundation de EE. UU. (subvenciones NSF-AST-1906976, NSF-AST-1836016, NSF-AST-2407277), la Moore Foundation (subvención 8548) y JSPS KAKENHI (números de subvención JP20K14511, JP24K07089, JP24H00221).

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