‘Curiosa materia oscura:’ Algo anda mal en nuestra teoría del universo en expansión
Desde principios de los 20th siglo, hemos sabido que el universo se está expandiendo. Sin embargo, exactamente qué tan rápido se está expandiendo, sigue siendo una pregunta controvertida. Hasta ahora, nuestra comprensión teórica del universo predijo una tasa de expansión aproximadamente un 8% más lenta de lo que calculamos a partir de nuestras observaciones reales. Esta discrepancia se conoce como tensión de Hubble, y la razón detrás de ella es una de las grandes preguntas sin respuesta de la física.
La posible explicación más obvia es que nuestras mediciones son inexactas. Sin embargo, un nuevo artículo publicado el 9 de diciembre en La revista astrofísica Valida aún más nuestras observaciones existentes al cotejar los datos del Telescopio Espacial Hubble con nuevas observaciones del Telescopio Espacial James Webb, y descubre que los dos concuerdan casi perfectamente.
¿Qué es la constante de Hubble y cómo la medimos?
La velocidad a la que se expande el universo se expresa como un valor llamado Constante de Hubble, generalmente abreviado como “H0”. Una peculiaridad de nuestro universo es que su tasa de expansión varía con la distancia: cuanto más lejos está un objeto, más rápido se aleja de nosotros. Para reflejar este hecho, la constante se expresa en unidades de kilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), siendo un megaparsec una unidad de distancia equivalente a unos 300.000 años luz.
Nuestro mejor mod elo teórico para el universo, el modelo Lambda/Materia Oscura Fría (“ΛCDM”), predice un valor para H0
Para entender esto, primero debemos entender cómo H0 se mide. Los científicos hacen esto estudiando objetos distantes (estrellas, galaxias, supernovas) y calculando a) qué tan lejos están yb) qué tan rápido se alejan de nosotros.
Subiendo la escalera de distancias cósmicas
El primer paso es poder calcular a qué distancia de nosotros están los objetos distantes, y calcular distancias cósmicas rara vez es una tarea sencilla. Como dice con tristeza Siyang Li, uno de los coautores del artículo: “Gran parte de nuestro trabajo implica medir las distancias a las galaxias.[which] Es una de las cosas más difíciles de hacer en astronomía”.
Li explica que para realizar estos cálculos los astrónomos utilizan la llamada “escalera de distancias cósmicas”. La escalera comienza con objetos que se encuentran a unos 1.000 pársecs de la Tierra, cuya distancia podemos calcular con trigonometría simple. Para objetos más distantes, dice Li, “realmente necesitamos dos datos. Una es la magnitud aparente: ¿qué tan brillante nos parece la estrella en la Tierra? La otra es la luminosidad intrínseca de esa estrella: ¿cuán intrínsecamente brillante es?
La diferencia entre estos dos valores es función de la distancia: cuanto más lejos está un objeto, más oscuro parece. (Imagínese una esfera en expansión de rayos de luz que emanan de una lámpara; si está cerca de la lámpara, muchos de esos rayos lo alcanzarán, pero a medida que se aleje más y más, más y más rayos no lo alcanzarán). relación relativamente simple entre estos dos valores y la distancia del objeto, por lo que si tenemos dos de estos datos, podemos calcular el tercero.
Esto es útil porque existen algunas categorías de objetos, conocidas como “velas estándar”, que comparten la misma luminosidad intrínseca. (Los ejemplos incluyen supernovas de tipo 1a, junto con una clase de estrellas conocidas como Cefeidas). Una vez que establecemos la luminosidad intrínseca de una clase de vela estándar, un proceso conocido como calibración, podemos usar esa información para calcular la distancia a objetos similares. que están demasiado lejos de esa cifra para poder calcularla directamente. Luego, el proceso se puede repetir para otra clase de vela estándar.
Una vez que sabemos qué tan lejos está un objeto, la segunda información que necesitamos es qué tan rápido se aleja de nosotros. A medida que el universo se expande, la luz de tales objetos tarda cada vez más en llegar hasta nosotros, y su longitud de onda se ve alargada por el espacio-tiempo en expansión a través del cual viaja. Este fenómeno se llama “desplazamiento al rojo”, y si podemos calcular cuánto se desplaza al rojo la luz de un objeto determinado, podemos calcular qué tan rápido se aleja el objeto de nosotros.
Calcular la constante de Hubble
Una vez que tenemos ambas informaciones, la determinación real de la constante de Hubble es razonablemente sencilla: la velocidad y la distancia están relacionadas mediante la ecuación v = H0d, donde v es la velocidad, d es la distancia y H0 es la constante de Hubble.
Si tomamos esta medida para una gran cantidad de objetos distantes, podemos concentrarnos en un valor cada vez más preciso para la constante de Hubble. Eso sí, para ello es fundamental que las medidas sean correctas. La mayor parte de nuestra información sobre objetos distantes proviene del Telescopio Espacial Hubble, que ha pasado décadas acumulando datos, y el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb proporcionó una bienvenida oportunidad de cotejar esos datos
También abre nuevas posibilidades para la investigación, como explica Adam Riess, autor principal del artículo y ganador del Premio Nobel de Física en 2011 por su investigación sobre la tensión de Hubble: “JWST tiene mejor resolución y sensibilidad en el infrarrojo cercano. . Hubble es mejor en longitudes de onda más azules. La mayor ventaja del Hubble es que ha estado allí por más tiempo, por lo que tiene muchos más datos. [but] Una vez que haya suficientes datos del JWST, puede superar al Hubble, o pueden usarse juntos para estudiar el [Hubble] tensión.”
Por ahora, los resultados del JWST se correlacionan casi perfectamente con los datos existentes, lo que proporciona evidencia más fuerte que el problema no es la precisión de nuestras mediciones. En ese caso, dice Riess, el problema puede estar en la teoría. “No poder encontrar fallas en las mediciones”, dice, “deja un escenario cada vez más probable de falla en el modelo”.
¿Qué es el modelo ΛCDM y por qué predice una constante de Hubble diferente?
Como sugiere su nombre, el modelo ΛCDM se basa en dos conceptos fundamentales: la constante cosmológica (denotada por la letra griega “Λ”) y la existencia de materia oscura fría. La constante cosmológica expresa la energía intrínseca del espacio mismo: la misteriosa “energía oscura” que, según las estimaciones actuales, constituye alrededor de 68% de la energía del universo. Mientras tanto, la “materia oscura fría” representa nuestra mejor comprensión de la igualmente esquiva materia oscura, que constituye otro 27% de la energía del universo. (La simple materia antigua, de la que están hechos las estrellas, los planetas y los humanos, comprende sólo un miserable 5%).
Las nociones de energía oscura y materia oscura no son arbitrarias: la existencia de la materia oscura se puede inferir de sus efectos sobre la rotación galáctica, y la energía oscura es necesaria para la continua expansión del universo. Las versiones del modelo ΛCDM reflejan estos hechos y también están correlacionadas con nuestras observaciones del fondo cósmico de microondas, la radiación sobrante del Big Bang.
“Básicamente”, dice Riess, “el CDM predice el tamaño físico de las fluctuaciones de materia y temperatura en el Universo posterior al Big Bang. El CMB se utiliza para medir el tamaño angular de esas fluctuaciones y, al compararlos, se calibra la constante de Hubble”.
Sin embargo, es evidente que el problema actual de la tensión del Hubble sugiere que algo no está bien. ¿Tienen Riess o Li sospechas sobre dónde podría encontrarse la raíz del problema? “Algo en el sector oscuro”, dice Riess. “[Either] curiosa energía oscura o curiosa materia oscura”.
Li está de acuerdo y añade que sospecha que nuestra comprensión imperfecta de la primera puede ser la raíz de la tensión del Hubble: “Con la materia oscura por sí sola, sabemos que está ahí, y hay modelos que podemos hacer para predecir el comportamiento de galaxias: rotaciones y cosas así. Pero con la energía oscura, existen tantas posibilidades que en realidad no existe una alternativa exacta que se ajuste exactamente… Hay tantas cosas que no sabemos sobre la energía oscura, y tantas cosas que todavía estamos descubriendo y aprendiendo”.
Gana las fiestas con las guías de regalos de Heaven32