El Telescopio Espacial Webb mide la tasa de expansión del Universo

Las observaciones combinadas de la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de la NASA y la WFC3 (cámara de campo amplio 3) del Hubble muestran la galaxia espiral NGC 5584, que se encuentra a 72 millones de años luz de la Tierra. Entre las estrellas brillantes de NGC 5584 se encuentran estrellas pulsantes llamadas estrellas variables Cefeidas y supernovas de Tipo Ia, una clase especial de estrellas explosivas. Los astrónomos utilizan variables cefeidas y supernovas de tipo Ia como indicadores de distancia fiables para medir la tasa de expansión del universo. Créditos: NASA, ESA, CSA y A. Riess (STScI)

La “tensión de Hubble” denota la diferencia entre las tasas de expansión del universo observadas y predichas. EL Telescopio espacial James Webb refina las mediciones realizadas previamente por telescopio espacial Hubble. A pesar de los avances, persisten dudas sobre la rápida expansión del universo y los posibles fenómenos cósmicos subyacentes.

La velocidad a la que se expande el universo, conocida como constante de Hubble, es uno de los parámetros fundamentales para comprender la evolución y el destino final del cosmos. Sin embargo, se observa una diferencia persistente llamada “voltaje de Hubble” entre el valor de la constante medida con una amplia gama de indicadores de distancia independientes y su valor predicho por Big Bang reverberación.

NASAEl Telescopio Espacial James Webb ofrece nuevas capacidades para examinar y refinar algunas de las evidencias observacionales más sólidas de esta tensión. El ganador del Premio Nobel Adam Riess de la Universidad Johns Hopkins y el Instituto Científico del Telescopio Espacial presenta su trabajo reciente y el de sus colegas utilizando observaciones de Webb para mejorar la precisión de las mediciones locales de la constante de Hubble.

El desafío de la medición cósmica

“¿Alguna vez ha tenido problemas para ver una señal que estaba en el borde de su campo de visión? ¿Que dijo? ¿Qué significa? Incluso con los telescopios más potentes, las “señales” que los astrónomos quieren leer parecen tan pequeñas que incluso nosotros tenemos dificultades.

“La señal que los cosmólogos quieren leer es una señal de límite de velocidad cósmica que nos dice qué tan rápido se está expandiendo el universo: un número llamado constante de Hubble. Nuestro signo está escrito en las estrellas de galaxias lejanas. El brillo de algunas estrellas en esas galaxias nos dice qué tan lejos están y por tanto cuánto tiempo ha viajado esta luz para llegar a nosotros, y los desplazamientos al rojo de las galaxias nos dicen cuánto se ha expandido el universo en ese tiempo, indicándonos así la expansión. evaluar.

Este diagrama ilustra el poder combinado de los telescopios espaciales Hubble y Webb de la NASA para determinar las distancias precisas de una clase especial de estrellas variables utilizadas para calibrar la tasa de expansión del universo. Estas estrellas variables cefeidas se ven en campos estelares abarrotados. La contaminación de la luz de las estrellas circundantes puede hacer que la medición del brillo de una cefeida sea menos precisa. La visión infrarroja más nítida de Webb le permite aislar más claramente un objetivo Cefeida de las estrellas circundantes, como se muestra en el lado derecho del diagrama. Los datos de Webb confirman la precisión de 30 años de observaciones de las cefeidas por parte del Hubble, que son fundamentales para establecer el peldaño más bajo de la escala de distancias cósmicas para medir la tasa de expansión del universo. A la izquierda, NGC 5584 es visible en una imagen compuesta obtenida por la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de Webb y la cámara de campo amplio 3 del Hubble. Créditos: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

“Una clase particular de estrellas, las variables cefeidas, nos han proporcionado las mediciones de distancia más precisas durante más de un siglo porque estas estrellas son extraordinariamente brillantes: son estrellas supergigantes, cien mil veces la luminosidad del Sol. Además, pulsan (es decir, se expanden y contraen en tamaño) durante un período de semanas, lo que indica su brillo relativo. Cuanto más largo es el período, más intrínsecamente brillantes son. Son el instrumento de referencia para medir distancias a galaxias a cien millones o más de años luz de distancia, un paso crucial para determinar la constante de Hubble. Desafortunadamente, las estrellas de las galaxias están apiñadas en un espacio pequeño desde nuestro punto de vista distante y, por lo tanto, a menudo no tenemos la resolución necesaria para separarlas de sus vecinas en la línea de visión.

La contribución del Hubble y el progreso de Webb

“Una de las principales justificaciones para construir el Telescopio Espacial Hubble fue resolver este problema. Antes del lanzamiento del Hubble en 1990 y las mediciones posteriores de las Cefeidas, la tasa de expansión del universo era tan incierta que los astrónomos no estaban seguros de si el universo se había estado expandiendo durante 10 o 20 mil millones de años. Esto se debe a que una tasa de expansión más rápida conducirá a una edad más joven del universo, mientras que una tasa de expansión más lenta conducirá a una edad más antigua del universo. El Hubble tiene una mejor resolución de longitud de onda visible que cualquier telescopio terrestre porque se encuentra por encima de los efectos borrosos de la atmósfera terrestre. Como resultado, puede identificar variables cefeidas individuales en galaxias a más de cien millones de años luz de distancia y medir el intervalo de tiempo durante el cual cambian su brillo.

“Sin embargo, también necesitamos observar las Cefeidas en la parte del espectro del infrarrojo cercano para ver la luz pasar ilesa a través del polvo intermedio. (El polvo absorbe y dispersa la luz azul óptica, haciendo que los objetos distantes parezcan tenues y engañándonos haciéndonos creer que están más lejos de lo que están). Desafortunadamente, la visión de luz roja del Hubble no es tan nítida como la azul, por lo que la luz de las estrellas Cefeidas que vemos allí se fusiona con otras estrellas en su campo de visión. Podemos tener en cuenta la cantidad media de mezcla, estadísticamente, de la misma manera que un médico calcula su peso restando el peso promedio de la ropa de la lectura de la báscula, pero al hacerlo agrega ruido a las mediciones. La ropa de algunas personas es más pesada que la de otras.

“Sin embargo, la visión infrarroja clara es uno de los superpoderes del Telescopio Espacial James Webb. Con su gran espejo y su óptica sensible, puede separar fácilmente la luz cefeida de las estrellas cercanas con poca fusión. En el primer año de Webb con nuestro programa Observadores Generales 1685, recopilamos observaciones de Cefeidas encontradas por Hubble en dos pasos a lo largo de lo que se conoce como la escala de distancia cósmica. El primer paso consiste en observar las Cefeidas en una galaxia con una distancia geométrica conocida que nos permita calibrar el brillo real de las Cefeidas. Para nuestro programa, esa galaxia es NGC 4258. El segundo paso es observar las cefeidas en las galaxias anfitrionas de supernovas recientes de Tipo Ia. La combinación de los dos primeros pasos transfiere conocimientos sobre la distancia a las supernovas para calibrar su verdadero brillo. El tercer paso es observar aquellas supernovas distantes donde la expansión del universo es evidente y puede medirse comparando las distancias inferidas de sus brillos y los desplazamientos al rojo de las galaxias anfitrionas de las supernovas. Esta secuencia de pasos se conoce como escalera de distancias.

«Recientemente obtuvimos nuestras primeras mediciones de Webb de los pasos uno y dos, lo que nos permite completar el escalado de distancias y compararlas con mediciones anteriores del Hubble (ver figura). Las mediciones de Webb han reducido drásticamente el ruido en las mediciones de Cefeidas gracias a la resolución del observatorio en cerca- longitudes de onda infrarrojas. ¡Este tipo de mejora es con lo que sueñan los astrónomos! Observamos más de 320 cefeidas en las dos primeras pasadas. Confirmamos que las mediciones anteriores del Telescopio Espacial Hubble eran precisas, aunque más ruidosas. También observamos otras cuatro supernovas invitadas con Webb y observe un resultado similar para toda la muestra.

Comparación de relaciones período-luminosidad de Cefeidas utilizadas para medir distancias. Los puntos rojos son del Webb de la NASA, mientras que los puntos grises son del Hubble de la NASA. El panel superior es para NGC 5584, la supernova anfitriona de Tipo Ia, y el recuadro muestra imágenes de la misma cefeida vista por cada telescopio. El panel inferior es para NGC 4258, una galaxia con una distancia geométrica conocida, y el recuadro muestra la diferencia en las magnitudes de distancia entre NGC 5584 y NGC 4258 medidas con cada telescopio. Los dos telescopios coinciden perfectamente. Créditos: NASA, ESA, A. Riess (STScI) y G. Anand (STScI)

El persistente misterio del voltaje del Hubble

“¡Lo que los resultados aún no explican es por qué el universo parece expandirse tan rápido! Podemos prever la tasa de expansión del universo al observar su imagen infantil, la fondo cósmico de microondas, y luego usar nuestro mejor modelo de cómo crece a lo largo del tiempo para decirnos qué tan rápido se espera que se expanda el universo hoy. El hecho de que la medida actual de la tasa de expansión exceda significativamente la predicción es un problema que lleva décadas llamado «La tensión de Hubble». La posibilidad más interesante es que la tensión sea una pista de algo que nos falta en nuestra comprensión del cosmos.

“Podría indicar la presencia de energía oscura exótica, materia oscura exótica, una revisión en nuestra comprensión de la gravedad o la presencia de una partícula o campo único. La explicación más trivial sería que múltiples errores de medición conspiraron en la misma dirección (los astrónomos descartaron un solo error usando pasos independientes), razón por la cual es tan importante repetir las mediciones con mayor fidelidad. Con Webb confirmando las mediciones de Hubble, las mediciones de Webb proporcionan la evidencia más sólida hasta el momento de que los errores sistemáticos en la fotometría de las Cefeidas de Hubble no juegan un papel significativo en la cepa actual de Hubble. Como resultado, quedan más posibilidades interesantes sobre la mesa y el misterio de la tensión se profundiza”.

Este post destaca los datos de un papel que fue aceptado por El Revista de Astrofísica.

Referencia: “No más aglomeración: la precisión de la constante de Hubble probada con observaciones de cefeidas de alta resolución por JWST” por Adam G. Riess, Gagandeep S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Breuval , Dan Scolnic, Marshall Perrin y Richard I. Anderson, aceptaron, El diario de astrofísica.
arXiv:2307.15806

Autor: Adam Riess es Profesor Distinguido Bloomberg en la Universidad Johns Hopkins, Profesor Thomas J. Barber de Estudios Espaciales en la Escuela de Artes y Ciencias JHU Krieger, astrónomo distinguido en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial y ganador del Premio Nobel de 2011 por física.