21 de Diciembre de 2020
Cosmología

Los astrónomos consiguen lo que querían y una crisis cósmica empeora aún más

No sabemos por qué parece que el universo se expande más deprisa de lo que debería. Nuevas mediciones ultraprecisas de distancias solo han agravado el problema.

El telescopio Gaia calibra las distancias hasta las estrellas midiendo su paralaje, su desplazamiento aparente en el curso de un año (en los recuadros, las posiciones celestes, conforme al movimiento orbital de la Tierra, esquematizado a la izquierda, y con el fondo de las estrellas «fijas», de una estrella cercana, representada en amarillo, y de una lejana, en rojo: en el de arriba, en verano; en el de abajo, en invierno) [Samuel Velasco / Quanta Magazine].

El 3 de diciembre la humanidad rozaba con la punta de los dedos una información que llevaba queriendo desde, bueno, desde siempre: la distancia precisa a las estrellas.

«Teclee el nombre de una estrella o su posición, y en menos de un segundo tendrá la respuesta», decía Barry Madore, cosmólogo de la Universidad de Chicago y de los Observatorios Carnegie en una llamada por Zoom la semana pasada. «Quiero decir que...» Y se cortó.

«Ahora tenemos datos a chorros», dice Wendy Freedman, cosmóloga también de la Universidad de Chicago y de los Observatorios Carnegie y su esposa y colaboradora.

«Solo puedo quedarme corto si digo cuánto me emociona», contaba en un llamada de teléfono Adam Riess, de la Universidad Johns Hopkins, uno de los ganadores del Nobel de Física de 2011 por el descubrimiento de la energía oscura. «¿Puedo enseñarle visualmente qué es lo que me emociona tanto?». Nos pasamos a Zoom para que compartiese en pantalla unas bonitas gráficas de los nuevos datos de estrellas.

Ha suministrado los datos la nave Gaia, de la Agencia Espacial Europea, que ha estado observando las estrellas durante los últimos seis años desde su atalaya a millón y medio de kilómetros de altitud. Ha medido las «paralajes» de 1300 millones de estrellas: los minúsculos desplazamientos de las posiciones aparentes de las estrellas en el cielo que revelan las distancias a que se encuentran. «Las paralajes de Gaia son, con mucho, las determinaciones más precisas que se hayan hecho jamás de las distancias», dice Jo Bovy, astrofísico de la Universidad de Toronto.

Lo mejor de todo para los cosmólogos es que el nuevo catálogo de Gaia incluye las estrellas especiales cuyas distancias sirven para medir distancias cosmológicas que caen aún más allá. Por ello, los nuevos datos han acentuado enseguida el mayor entuerto de la cosmología moderna: la expansión inesperadamente rápida del universo, o, como se llama a este problema, la «tensión de Hubble».

La tensión viene de esto: los ingredientes conocidos del universo y las ecuaciones que los gobiernan predicen que debería estar expandiéndose actualmente a un ritmo de 67 kilómetros por segundo por megapársec; es decir: deberíamos ver que las galaxias se alejan de nosotros 67 kilómetros por segundo más rápido por cada megapársec adicional de distancia. Sin embargo, las mediciones reales superan ese valor una y otra vez. Las galaxias se alejan demasiado deprisa. La discrepancia da a entender que cabe la excitante posibilidad de que algún ente acelerador desconocido esté actuando en el cosmos.

«Sería increíblemente emocionante que hubiese nueva física ahí», dice Freedman. «Guardo en mi corazón un secreto: que tengo la esperanza de que hay un descubrimiento por hacer ahí. Pero queremos que se esté seguro de que hemos acertado. Hay trabajo que hacer antes de que podamos decir inequívocamente que es así».

Ese trabajo tiene que reducir las posibles fuentes de error de las mediciones del ritmo de la expansión cósmica. Una de las mayores fuentes de ese incertidumbre es la distancia a las estrellas cercanas, distancia que los nuevos datos de la paralaje parecen haber casi clavado.

El equipo de Riess, en un artículo subido a la Red el 15 de diciembre y remitido a The Astrophysical Review, ha usado los nuevos datos para darle al ritmo de expansión un valor de 73,2 kilómetros por segundo por megapársec, en la misma línea que su valor anterior, pero ahora con un margen de error de solo un 1,8 por ciento. Esto parece consolidar la discrepancia con el ritmo predicho de 67, mucho menor, pues.

Freedman y Madore esperan publicar la nueva y mejorada medición del ritmo de la expansión del universo por su grupo en enero. Esperan también que los nuevos datos no alteren, sino que refuercen, sus mediciones, que tienden a dar valores inferiores a los de Riess y otros grupos, pero siempre mayores que el predicho.

Desde su lanzamiento en diciembre de 2013, Gaia ha publicado otros dos conjuntos gigantes de datos que han revolucionado lo que sabemos de nuestro entorno cósmico inmediato. Sin embargo, las mediciones anteriores de las paralajes decepcionaron. «Cuando vimos [en 2016] la primera publicación de datos», dice Freedman, «nos entraron ganas de llorar».

Un problema imprevisto

Si fuese más fácil medir las paralajes, la evolución copernicana podría haber sucedido antes.

Copérnico propuso en el siglo XVI que era la Tierra la que giraba alrededor del Sol. Pero incluso entonces los astrónomos sabían ya de paralajes. Si la Tierra se moviese como sostenía Copérnico, habrían esperado ver el desplazamiento de las estrellas por el cielo a medida que se movía, tal y como una farola parece desplazarse con respecto a las montañas al fondo mientras cruzamos la calle. El astrónomo Tycho Brahe no detectó ninguna paralaje estelar por el estilo y concluyó por ello que la Tierra no se movía.

Y sin embargo lo hace, y las estrellas se desplazan; aunque apenas, porque están muy lejos.

La paralaje estelar no se detectó hasta 1838, cuando un astrónomo alemán, Friedrich Bessel, midió el desplazamiento angular del sistema de estrellas 61 Cygni relativo a las estrellas circundantes y concluyó que estaba a 10,3 años luz. Su medición difería del valor real en solo un diez por ciento: las nuevas mediciones de Gaia sitúan las dos estrellas del sistema a 11,4030 y 11,4026 años luz, una o dos milésimas de año luz arriba o abajo.

El sistema 61 Cygni está excepcionalmente cerca. Estrellas de la Vía Láctea más comunes se desplazan solo unas diezmilésimas de segundo de arco, solo unas centésimas de píxel de una cámara de telescopio moderna. Detectar el movimiento requiere instrumentos especializados, ultraestables. Gaia estaba diseñado para ese fin, pero al poner en marcha el telescopio mostró un problema imprevisto.

El telescopio funciona observando dos direcciones a la vez y siguiendo las diferencias angulares entre las estrellas de ambos campos de visión, explica Lennart Lindegren, uno de los que propuso la misión Gaia en 1993 y quien ha dirigido el análisis de sus nuevos datos de paralaje. Las estimaciones adecuadas de la paralaje requieren que el ángulo entre los dos campos de visión permanezca fijo. Pero al principio de la misión Gaia se descubrió que no lo hace. El telescopio se flexiona ligeramente mientras rota con respecto al Sol, lo que añade un bamboleo en las mediciones que imita a la paralaje. Peor aún, ese «desajuste» de la paralaje depende de formas complicadas de las posiciones, colores y brillos de los objetos.

Sin embargo, a medida que se fueron acumulando los datos, a los científicos de Gaia les ha ido siendo más fácil separar las paralajes de pega de las reales. Lindegren y sus colaboradores lograron eliminar buena parte del bamboleo del telescopio en los datos de la paralaje recién publicados, y mientras, idearon además una fórmula con la que los investigadores pueden corregir las mediciones finales de la paralaje según la posición, color y brillo de la estrella.

Subir por la escalera

Con los nuevos datos en la mano, Riess, Freedman y Madore y sus equipos han podido recalcular el ritmo de expansión del universo. La forma de calibrar la expansión cósmica, descrita sin entrar en muchos detalles, consiste en determinar a qué distancia están las galaxias remotas y a qué velocidad se alejan de nosotros. Las mediciones de la velocidad son inmediatas; las distancias son difíciles.

Las mediciones más precisas se basan en unas intrincadas «escaleras de la distancia cósmica». El primer peldaño está formado por estrellas que sirven de «candelas estándar», en nuestra galaxia y a su alrededor; tienen unas luminosidades bien definidas y están suficientemente cerca para exhibir paralaje: la única forma segura de saber lo lejos que están las cosas sin viajar hasta ellas. Los astrónomos comparan entonces el brillo de esas candelas estándar con el de sus análogas más debiles de galaxias cercanas para deducir sus distancias. Este es el segundo pedaño de la escalera. Sabiendo la distancia a esas galaxias, escogidas porque presentan raras y brillantes explosiones, de las conocidas como supernovas de tipo 1a, los cosmólogos pueden calibrar las distancias relativas de las galaxias remotas que muestran supernovas del tipo 1a más débiles. La razón entre las velocidades de esas galaxias lejanas y sus distancias dan el ritmo de la expansión cósmica.

Las paralajes son cruciales en toda esa construcción. «Cambia el primer paso, las paralajes, y todo lo que sigue cambiará también», dice Riess, que es uno de los líderes del método de la escalera de las distancias. «Si se cambia la precisión del primer paso, la precisión de lo demás cambiará».

El equipo de Riess ha usado las nuevas paralajes de Gaia de 75 cefeidas (estrellas pulsantes que son las candelas estándar preferidas) para recalibrar sus mediciones del ritmo de la expansión cósmica.

Freedman y Madore, los principales rivales de Riess entre lo más granado de los competidores en la escalera de la distancias, han sostenido en los últimos años que las cefeidas inducen posibles traspiés en los peldaños de la escalera que tienen por encima. Así que su equipo, en vez de depender demasiado de ellas, combinan mediciones basadas en múltiples tipos de estrellas que valen como candelas estándar y están presentes en el conjunto de datos de Gaia: las cefeidas, las estrellas RR Lyrae, las estrellas en la punta de la rama de las gigantes rojas y las llamadas estrellas de carbono.

«[La nueva publicación de datos] de Gaia proporciona un fundamento seguro», dice Madore. Aunque no se espera una serie de artículos del equipo de Madore de aquí en unas pocas semanas, han comentado que los nuevos datos de la paralaje y la fórmula correctora parecen funcionar bien. Cuando se los usa con diversos métodos de representación gráfica y escrutinio de las mediciones, los puntos de datos que representan a las cefeidas y a las otras estrellas especiales caen ordenadamente en líneas rectas, con muy poca «dispersión», que indicaría errores aleatorios.

«Nos dice que estamos mirando de verdad las cosas reales», dice Madore.

Natalie Wolchover / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Cosmic Distances Calibrated to 1% Precision with Gaia EDR3 Parallaxes and Hubble Space Telescope Photometry of 75 Milky Way Cepheids Confirm Tension with LambdaCDM», de Adam G. Riess et al., en arXiv:2012.08534 [astro-ph.CO].

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