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20 de Mayo de 2019
Cosmología

Se agranda el misterio de la expansión cósmica

Un nuevo método permite afinar aún más la determinación local de la constante de Hubble. Según los autores, los resultados sugieren la existencia de nueva física más allá del modelo cosmológico de consenso.

Detalle de la Gran Nube de Magallanes. El estudio de 70 estrellas cefeidas de esta galaxia enana próxima a la Vía Láctea ha permitido establecer una de las determinaciones de la constante de Hubble más precisas hasta la fecha. [ESO]

Hace ya varios años que los cosmólogos se enfrentan a un problema que atañe a uno de los parámetros fundamentales de su disciplina: la velocidad a la que se expande el universo actual. Desde hace un tiempo, dos tipos de mediciones arrojan valores diferentes para dicho parámetro, también conocido como constante de Hubble. Y aunque en un principio se pensó que tales discrepancias se deberían a errores sistemáticos en alguno de los métodos y que, por lo tanto, desparecerían conforme se fuesen tomando más y mejores medidas, la dirección que han ido tomando los acontecimientos ha sido justo la contraria. Ahora, un nuevo estudio dirigido por el premio nóbel Adam Riess ha hecho aún más patente esa diferencia. «El desacuerdo ha estado creciendo y ha alcanzado un punto en el que ya es realmente imposible achacarlo a un accidente», ha asegurado el investigador en declaraciones recogidas por la Agencia Espacial Europea. Los resultados se publican en The Astrophysical Journal.

A grandes rasgos, los dos métodos en liza se basan en observaciones relacionadas con épocas muy distintas del universo. Por un lado, en mediciones «directas» de la velocidad a la que se alejan las galaxias relativamente cercanas a la Tierra, lo que corresponde a observar el cosmos en épocas recientes. Por otro, en las propiedades del fondo cósmico de microondas, la radiación que fue emitida muy poco tiempo después de la gran explosión, cuando el universo era una sopa de protones y electrones que se unieron para formar los primeros átomos de hidrógeno neutro.

Según el primer conjunto de técnicas, el universo actual se estaría expandiendo a un ritmo de unos 74 kilómetros por segundo por megapársec (km/s/Mpc), lo que quiere decir que una galaxia situada a un megapársec de distancia de nosotros se estaría alejando a una velocidad de 74 km/s debido a la expansión cósmica. Las observaciones basadas en el universo primitivo, sin embargo, implican que el cosmos actual se tendría que estar expandiendo a un ritmo de 67 km/s/Mpc. Se trata de una diferencia considerable, del orden del 10%, y que cada vez resulta más difícil achacar a un posible error en las medidas, ya que estos rondan el 2% y el 1%, respectivamente. En términos estadísticos, el nuevo trabajo de Riess y sus colaboradores ha establecido que la diferencia entre ambos resultados asciende ahora a 4,4 sigmas, o desviaciones estándar. Eso quiere decir que la probabilidad de que la discrepancia se deba a un «falso positivo» es del orden de 1 entre 100.000.

Cada técnica presenta sus ventajas y sus inconvenientes. Por un lado, determinar la velocidad a la que se alejan las galaxias cercanas equivale a medir directamente la constante de Hubble, por lo que no es necesario hacer hipótesis sobre el contenido global de materia y energía del universo ni sobre los detalles de su evolución desde la gran explosión hasta hoy. Sin embargo, este tipo de medidas se han visto afectadas tradicionalmente por un error considerable, ya que medir distancias constituye un problema notoriamente difícil en cosmología.

Por su parte, las observaciones basadas en el fondo cósmico de microondas gozan de una gran precisión. No obstante, hacen referencia a épocas muy remotas del cosmos, por lo que para inferir a partir de ellas el ritmo al que se expande el universo en la actualidad es necesario asumir un modelo sobre la composición y la evolución global del universo. Dicho modelo —conocido como ΛCDM («Lambda-CDM») y que hasta ahora ha demostrado una excelente capacidad para explicar todo tipo de observaciones— supone, entre otras cosas, que los dos componentes mayoritarios del universo son la energía oscura (en torno al 70%) y la materia oscura (el 25%). En particular, solo un 5% del contenido energético del cosmos correspondería a los átomos y la luz que nos son familiares y que componen todo lo que podemos ver.

El nuevo trabajo del equipo de Riess ha ido encaminado hacia reducir el error del primer tipo de medidas, las basadas en la velocidad de recesión de las galaxias cercanas. A tal fin, los investigadores usaron el telescopio espacial Hubble para calibrar con detalle 70 cefeidas de la Gran Nube de Magallanes, una de las pequeñas galaxias satélite de la Vía Láctea. Las cefeidas son un tipo de estrellas pulsantes (aquellas cuya luminosidad aumenta y disminuye de forma periódica con el tiempo) cuya frecuencia de pulsación permite estimar su luminosidad intrínseca. Como consecuencia, el brillo aparente con el que se ven desde la Tierra hace posible inferir la distancia a la que se encuentran. Este supone uno de los primeros peldaños de la llamada «escalera de distancias cósmicas», el conjunto de métodos iterados que usan los cosmólogos para calcular la distancia a la que se hallan las galaxias.

A raíz de esas mediciones de cefeidas en la Gran Nube de Magallanes, los investigadores han logrado reducir el error en la estimación local de la constante de Hubble a un 1,9%, lo que supone la medida de este tipo más precisa de todas las logradas hasta la fecha. Hace tres años, otro estudio dirigido por Riess ya logró acotar el error de este tipo de mediciones a un 2,4%. Y unos meses después, un método independiente confirmó dicho resultado.

La solución al enigma podría llegar de la mano de la astronomía de ondas gravitacionales. Un trabajo publicado a principios de este año demostró que las colisiones de agujeros negros observadas por los experimentos LIGO y Virgo podían cruzarse con los datos procedentes de catálogos de galaxias para obtener una estimación completamente independiente de la constante de Hubble. Aunque el error de dicho método es aún considerable, el aumento en la cantidad de datos que se espera que en los próximos meses proporcionen LIGO y Virgo debería permitir reducir la incertidumbre hasta una cota equiparable a la obtenida por Riess y sus colaboradores.

En caso de que dicho resultado se confirmase, puede que a los cosmólogos no les quede más remedio que modificar alguno de los postulados del modelo cosmológico de consenso que tan bien había funcionado hasta ahora. Por ejemplo, podría ocurrir que la densidad de energía oscura no fuese constante, sino que cambiase con el tiempo, una sorprendente posibilidad a la que hace poco apuntó un trabajo basado en el estudio de galaxias distantes. Otras posibilidades mencionadas por los investigadores en su artículo incluyen la existencia de nuevas partículas elementales, interacciones de la materia oscura distintas de las consideradas hasta ahora, o una pequeña curvatura en la geometría del espaciotiempo.

Ernesto Lozano Tellechea

Referencia: «Large Magellanic Cloud Cepheid standards provide a 1% foundation for the determination of the Hubble constant and stronger evidence for physics beyond ΛCDM»; Adam G. Riess et al. en The Astrophyiscal Journal, vol. 876 , art. 85, 7 de mayo de 2019.

Más información en la página web de la ESA dedicada al telescopio Hubble.

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