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21 de Julio de 2019
Cosmología

Y una vez más aumenta la confusión sobre la velocidad a la que se expande el universo

Una nueva técnica de medición que se basa en las gigantes rojas, muy esperada, no consigue resolver la discrepancia entre los distintos valores que se le han medido a la velocidad a la que se expande el universo.

La Gran Nube de Magallanes sirve de punto cero para la calibración de las distancias en la nueva determinación de la constante de Hubble basada en las gigantes rojas [Robert Gendler/ESO]. 

Durante buena parte de esta década, las dos formas más precisas de calibrar el ritmo al que se expande el universo vienen estando en flagrante desacuerdo. Ahora, una técnica distinta, esperadísima, de la que los cosmólogos pensaban que podría resolver el entuerto, no ha hecho sino añadir más confusión.

Con los resultados que ha dado a conocer el 12 de julio y que se publicarán en Astrophysical Journal, un equipo dirigido por la astrónoma Wendy Freedman, de la Universidad de Chicago en Illinois, presenta una técnica que mide la expansión gracias a las estrellas gigantes rojas. Prometía sustituir a un método que se viene usando desde hace más de un siglo, pero por ahora esa medición de la velocidad no ha logrado zanjar la disputa porque cae entre los dos valores que estaban en liza hasta ahora.

«Llegados a este punto, el universo nos la está liando, ¿no?», tuiteaba un astrofísico refiriéndose al artículo.

«En estos momentos estamos intentando entender cómo encaja todo», le ha dicho Freedman a Nature. Si la discrepancia en la velocidad cósmica no se resuelve, quizás es que alguna de las teorías básicas con las que los cosmólogos interpretan los datos, por ejemplo sus presuposiciones acerca de la naturaleza de la materia oscura, podría estar equivocada. «La física fundamental está en vilo», dice Freedman.

Velocímetro cósmico

El astrónomo estadounidense Edwin Hubble y otros descubrieron en la década de 1920 que el universo se expande cuando demostraron que la mayoría de las galaxias se alejan de la Vía Láctea y que, cuanto más lejos están, más deprisa se separan de la nuestra. La razón, aproximadamente constante, entre la velocidad y la distancia recibiría el nombre de constante de Hubble. Por cada megapársec de distancia adicional (unos 3.260.000 años luz), Hubble vio que las galaxias se alejaban 500 kilómetros por segundo más deprisa. La constante de Hubble era, pues, 500 en las unidades apropiadas (kilómetros por segundo por megapársec).

Con el paso de los años, esa estimación se redujo considerablemente como consecuencia de la mejora de las técnicas de medición. Freedman inició en la década de 1990 el uso del Telescopio Espacial Hubble para medir adecuadamente la constante de Hubble y calcularle un valor de alrededor de 72, con un márgen de error de menos de un 10 por ciento. La medición más precisa hasta la fecha es la realizada por un equipo dirigido por el premio Nobel Adam Riess, de la Universidad Johns Hopkins, de Baltimore, Maryland; su ultimo valor es 74, con un margen de error de solo un 1,91%.

Pero en los últimos años un tipo diferente de medición ha metido un palo en las ruedas. Los científicos de la misión Planck de la Agencia Espacial Europea miden la reliquia de la radiación de la gran explosión, o fondo cósmico de microondas (FCM), y se valen de sus resultados para calcular las propiedades básicas del universo. Adoptando premisas teóricas estándar relativas al cosmos, le han calculado a la constante de Hubble un valor de 67,8.

Puede que la diferencia entre 67,8 y 74 parezca pequeña, pero ha llegado a ser estadísticamente significativa a medida que ambas técnicas han mejorado. Los teóricos empezaron a preguntarse, pues, si el problema está en la teoría cosmológica estándar, llamada ΛCDM, que presupone la existencia de partículas invisibles de materia oscura así como una misteriosa fuerza repulsiva, la energía oscura. Pero les está costando dar con un retoque que resuelva el problema y siga siendo coherente con todo lo que se sabe del universo. «Resulta difícil mirar la ΛCDM y ver dónde hay hilos sueltos tirando de los cuales se descosa», dice Rocky Kolb, cosmólogo de la Universidad de Chicago en Illinois.

La técnica de Freedman actualiza un elemento clave del método establecido de medir la constante de Hubble, y produce un valor de 69,8.

La parte difícil de la medición de la constante de Hubble está en calibrar fiablemente las distancias de las galaxias. La primera estimación de Hubble se basaba en medir la distancia a galaxias bastante cercanas  mediante la observación de unas estrellas brillantes llamadas cefeidas. La astrónoma Henrietta Swan Leavitt descubrió a principios del siglo XX que su verdadero brillo era predecible. Entonces, midiendo su brillo aparente en la placa fotográfica se podía calcular la distancia a que estaban. A estos hitos estelares se los llama candelas estándar.

Pero los astrónomos vienen intentando desde entonces encontrar unas candelas estándar mejores que las cefeidas, que tienen limitaciones porque suelen encontrarse en regiones abarrotadas, llenas de polvo que puede distorsionar las estimaciones de su brillo. «La única forma que tenemos de llegar al fondo de esto es contar con métodos alternativos, y hasta ahora no tenemos algo que verifique lo de las cefeidas», dice Freedman, que ha dedicado buena parte de su carrera a que las mediciones de las cefeidas sean más precisas y con errores sistemáticos menores. «Sabe dónde están enterrados todos los cadáveres», como dice Kolb.

Freedman y sus colaboradores evitaron las cefeidas por completo; usaron en su lugar como candelas estándar las gigantes rojas, viejas estrellas que se han hinchado; en galaxias más lejanas sirven de hito las explosiones supernova.

Un cálculo con gigantes

Las gigantes rojas son más comunes que las cefeidas y resulta fácil divisarlas en las regiones periféricas de las galaxias, donde las estrellas están bien separadas entre sí y el polvo no es problema. Tienen brillos muy diferentes, pero, tomada en su conjunto, la población de gigantes rojas de una galaxia presenta una característica oportuna. El brillo de las estrellas aumenta a lo largo de millones de años hasta que alcanza un máximo, y entonces cae de pronto. Cuando se representa gráficamente un grupo grande de estrellas por su color y su brillo, las gigantes rojas parecen una nube de puntos que termina en una punta nítida. Las estrellas de esa punta pueden servir entonces como candelas estándar.

El equipo de Freedman ha usado esta técnica para calcular las distancias a 18 galaxias y obtenido una estimación de la constante de Hubble que por primera vez es tan exacta como la de los estudios basados en las cefeidas.

Riess dice que el estudio de las gigantes rojas sigue dependiendo de suposiciones sobre la cantidad de polvo en las galaxias, en particular en la Gran Nube de Magallanes, que el estudio usó como punto de anclaje. «Hacer una estimación del polvo es peliagudo y estoy seguro de que va a haber muchas discusiones» sobre la razón de que el enfoque de los autores tienda a una estimación inferior de la constante de Hubble.

El resultado es compatible estadísticamente con la predicción del Planck y con el cálculo de Riess con las cefeidas (quiere decir que las barras de error se solapan), pero la precisión de la técnica mejorará a medida que se acumulen datos sobre las gigantes rojas. Podrían batir a las cefeidas en un futuro próximo, dice Kolb.

La aguja podría girar hacia uno de los otros valores. O podría quedarse donde está y las otras técnicas quizá acaben convergiendo con ella. Por ahora, los cosmólogos tienen mucho con lo que romperse la cabeza.

Davide Castelvecchi / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «The Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. An Independent Determination of the Hubble Constant Based on the Tip of the Red Giant Branch», de Wendy L. Freedman et al. en arXiv:1907.05922 [astro-ph.CO]. 

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