Nueva medida cosmológica reta nuestra visión del Universo
4 de abril de 2023
Una nueva medida podría cambiar nuestra comprensión del universo
por Sarah Perrin, Escuela Politécnica Federal de Lausana.
Figura 1. RS Puppis, un tipo de estrella variable conocida como variable Cefeida. Crédito: Hubble Legacy Archive, NASA, ESA.
El universo se está expandiendo, pero ¿a qué velocidad exactamente? La respuesta parece depender de si estima la tasa de expansión cósmica, conocida como la constante de Hubble o , en función del eco del Big Bang (el fondo cósmico de microondas, o CMB) o si mide H0 directamente en función de las estrellas actuales. y galaxias. Este problema, conocido como tensión de Hubble, ha desconcertado a astrofísicos y cosmólogos de todo el mundo.
Un estudio realizado por el grupo de investigación Stellar Standard Candles and Distances, dirigido por Richard Anderson en el Instituto de Física de la EPFL, agrega una nueva pieza al rompecabezas. Su investigación, publicada en Astronomy & Astrophysics, ha logrado la calibración más precisa de estrellas Cefeidas, un tipo de estrella variable cuya luminosidad fluctúa durante un período definido, para mediciones de distancia hasta la fecha según los datos recopilados por Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA). misión. Esta nueva calibración amplifica aún más la tensión del Hubble.
La constante de Hubble () lleva el nombre del astrofísico que, junto con Georges Lemaître, descubrió el fenómeno a fines de la década de 1920. Se mide en kilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), donde 1 Mpc equivale a unos 3,26 millones de años luz.
La mejor medición directa de utiliza una "escalera de distancia cósmica", cuyo primer peldaño lo establece la calibración absoluta del brillo de las cefeidas, ahora recalibrada por el estudio EPFL. A su vez, las cefeidas calibran el siguiente peldaño de la escalera, donde las supernovas, poderosas explosiones de estrellas al final de sus vidas, trazan la expansión del espacio mismo.
Esta escala de distancias, medida por las supernovas, , para el equipo Ecuación de estado de la energía oscura (SH0ES) dirigido por Adam Riess, ganador del Premio Nobel de Física de 2011, sitúa a en 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.
Primera radiación después del Big Bang
también se puede determinar interpretando el CMB, que es la radiación de microondas omnipresente que quedó del Big Bang hace más de 13 mil millones de años. Sin embargo, este método de medición del "universo primitivo" tiene que asumir la comprensión física más detallada de cómo evoluciona el universo, haciéndolo dependiente del modelo. El satélite Planck de la ESA ha proporcionado los datos más completos sobre el CMB y, según este método, es 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.
La tensión de Hubble es el nombre dado a esta discrepancia de 5,6 km/s/Mpc, dependiendo de si se utiliza el método CMB (universo temprano) o el método de escalera de distancia (universo tardío). La implicación, siempre que las mediciones realizadas en ambos métodos sean correctas, es que hay algo mal en la comprensión de las leyes físicas básicas que gobiernan el universo. Naturalmente, este tema principal subraya cuán esencial es que los métodos de los astrofísicos sean confiables.
Figura 2. Posición en el cielo, posición en el espacio de movimiento adecuado y diagrama de magnitud de color para diferentes cúmulos de Cefeidas. Las estrellas de fondo se muestran en gris y la probabilidad de pertenencia al grupo está codificada por colores. Los colores claros indican alta probabilidad. Las cefeidas se muestran etiquetadas con grandes círculos rojos rellenos. Las cefeidas detectadas como miembros del grupo por HDBSCAN también cuentan con un símbolo superpuesto para ilustrar la probabilidad de pertenencia. Crédito: Astronomía y Astrofísica (2023). DOI: 10.1051/0004-6361/202244775
El nuevo estudio de la EPFL es tan importante porque fortalece el primer peldaño de la escala de distancias al mejorar la calibración de las Cefeidas como trazadores de distancia. De hecho, la nueva calibración nos permite medir distancias astronómicas con una precisión de ± 0,9%, y esto brinda un fuerte apoyo a la medición del universo tardío. Además, los resultados obtenidos en EPFL, en colaboración con el equipo SH0ES, ayudaron a refinar la medición de H0, lo que resultó en una mayor precisión y una mayor importancia de la tensión del Hubble.
"Nuestro estudio confirma la tasa de expansión de 73 km/s/Mpc, pero lo que es más importante, también proporciona las calibraciones más precisas y confiables de Cefeidas como herramientas para medir distancias hasta la fecha", dice Anderson.
"Desarrollamos un método que buscaba cefeidas pertenecientes a cúmulos estelares formados por varios cientos de estrellas probando si las estrellas se mueven juntas a través de la Vía Láctea. Gracias a este truco, pudimos aprovechar el mejor conocimiento de las mediciones de paralaje de Gaia mientras beneficiándose de la ganancia en precisión proporcionada por las muchas estrellas miembros del cúmulo. Esto nos ha permitido llevar la precisión de los paralajes de Gaia a su límite y proporciona la base más firme sobre la cual se puede descansar la escala de distancia".
Repensar conceptos básicos
¿Por qué es importante una diferencia de unos pocos km/s/Mpc, dada la gran escala del universo? "Esta discrepancia tiene una gran importancia", dice Anderson.
"Supongamos que quisieras construir un túnel excavando en dos lados opuestos de una montaña. Si has entendido correctamente el tipo de roca y si tus cálculos son correctos, entonces los dos agujeros que estás cavando se encontrarán en el centro. Pero si no lo hacen, eso significa que cometió un error, o sus cálculos son incorrectos o está equivocado sobre el tipo de roca.
"Eso es lo que está pasando con la constante de Hubble. Cuanta más confirmación obtengamos de que nuestros cálculos son precisos, más podremos concluir que la discrepancia significa que nuestra comprensión del universo está equivocada, que el universo no es exactamente como pensábamos".
La discrepancia tiene muchas otras implicaciones. Pone en duda los fundamentos, como la naturaleza exacta de la energía oscura, el continuo espacio-tiempo y la gravedad. "Significa que tenemos que repensar los conceptos básicos que forman la base de nuestra comprensión general de la física", dice Anderson.
El estudio de su grupo de investigación también hace una contribución importante en otras áreas. "Debido a que nuestras medidas son tan precisas, nos dan una idea de la geometría de la Vía Láctea", dice Mauricio Cruz Reyes, Ph.D. estudiante en el grupo de investigación de Anderson y autor principal del estudio. "La calibración de alta precisión que desarrollamos nos permitirá determinar mejor el tamaño y la forma de la Vía Láctea como una galaxia de disco plano y su distancia de otras galaxias, por ejemplo. Nuestro trabajo también confirmó la confiabilidad de los datos de Gaia comparándolos con los tomados de otros telescopios".
Referencias
[1] Phys.org news, April 4, 2023, A new measurement could change our understanding of the universe, by Sarah Perrin, Ecole Polytechnique Federale de LausanneURL: https://phys.org/news/2023-04-universe.html
[2] Mauricio Cruz Reyes et al, A 0.9% calibration of the Galactic Cepheid luminosity scale based on Gaia DR3 data of open clusters and Cepheids, Astronomy & Astrophysics (2023). DOI: 10.1051/0004-6361/202244775
[3] Science Daily. A new measurement could change our understanding of the Universe, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. URL: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230404113542.htm
Artículo editado y traducido por Juan F. González.