Una nueva medida podría cambiar nuestra comprensión del universo

El universo se está expandiendo, pero ¿a qué velocidad exactamente? La respuesta parece depender de si se estima la tasa de expansión cósmica, denotada como la constante de Hubble, o H₀-basado en el eco del Big Bang (el fondo cósmico de microondas, o CMB) o se mide H₀ directamente basado en las estrellas y galaxias de hoy. Este problema, conocido como la 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 Astronomía y astrofísica, logró la calibración más precisa de estrellas Cefeidas, un tipo de estrella variable cuyo brillo fluctúa durante un período definido, para mediciones de distancia hasta la fecha basadas en datos recopilados por la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA). Esta nueva calibración amplifica aún más el voltaje del Hubble.

La constante de Hubble (H₀) toma su nombre del astrofísico que, junto con Georges Lemaître, descubrió el fenómeno a finales de la década de 1920. Se mide en kilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), donde 1 Mpc son aproximadamente 3,26 millones de años luz.

La mejor medida directa de H₀ utiliza una «escalera de distancia cósmica», cuyo primer peldaño lo establece la calibración de luminosidad absoluta Cepheid, 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 distancia, medida a partir de supernovas, H₀para el equipo de Ecuación de Estado de la energía oscura (SH0ES) dirigido por Adam Riess, ganador del Premio Nobel de Física en 2011, plantea H₀ a 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.

Primera radiación después del Big Bang

h₀ 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» debe 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, H₀ es 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.

El voltaje de Hubble se refiere 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 con cualquiera de los dos métodos sean correctas, es que hay algo erróneo en la comprensión de las leyes físicas fundamentales que gobiernan el universo. Por supuesto, este importante tema subraya cuán esencial es que los métodos de los astrofísicos sean confiables.

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 telémetros. De hecho, la nueva calibración nos permite medir distancias astronómicas con una precisión de ±0,9 %, y esto brinda un sólido apoyo para medir el universo más reciente. Además, los resultados obtenidos en EPFL, en colaboración con el equipo SH0ES, han ayudado a perfeccionar el H₀ medición, lo que resulta en una precisión mejorada y una mayor importancia del voltaje 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 fiables de las Cefeidas como instrumentos para medir distancias hasta la fecha», dice Anderson.

«Desarrollamos un método que buscaba cefeidas pertenecientes a cúmulos estelares compuestos por varios cientos de estrellas al probar si las estrellas se mueven juntas a través de la Vía Láctea. Gracias a este truco, pudimos explotar el mejor conocimiento de las mediciones de paralaje de Gaia mientras nos beneficiamos de la ganancia. en la precisión proporcionada por las muchas estrellas miembros del cúmulo. Esto nos ha permitido llevar la precisión de los paralajes de Gaia al límite y proporciona la base más sólida sobre la que descansar la escala de distancia».

Repensar conceptos básicos

¿Por qué importa una diferencia de unos pocos km/s/Mpc, dada la gran escala del universo? “Esta discrepancia tiene un significado enorme”, dice Anderson.

«Suponga que desea construir un túnel excavando en dos lados opuestos de una montaña. Si comprende correctamente el tipo de roca y si sus cálculos son correctos, entonces los dos agujeros que está excavando se encontrarán en el medio. Pero si no ‘t , significa que te has equivocado: o tus cálculos están mal o te equivocas en el tipo de roca.

«Esto es lo que está sucediendo 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 es incorrecta, que el universo no es exactamente como pensábamos». »

La discrepancia tiene muchas otras implicaciones. Cuestiona 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 proporciona 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, estudiante de doctorado en el grupo de investigación de Anderson y autor principal del estudio. «La calibración de alta precisión que hemos desarrollado 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 las tomadas por otros telescopios».