La “tensión de Hubble” se refiere a la diferencia entre la tasa de expansión observada y esperada del universo. EL Telescopio espacial James Webb refina las mediciones realizadas previamente por el El telescopio espacial Hubble. A pesar de los avances, persisten dudas sobre la rápida expansión del universo y los posibles fenómenos cósmicos subyacentes.

El ritmo al que se expande el universo, conocido 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 del Hubble» entre el valor de la constante medida con una amplia gama de indicadores de distancia independientes y su valor predicho a partir del Big Bang resplandor crepuscular.

NASAEl Telescopio Espacial James Webb proporciona nuevas capacidades para examinar y perfeccionar algunas de las pruebas observacionales más sólidas de esta tensión. El 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? ¿Qué dice? ¿Qué significa? Incluso con los telescopios más potentes, las «señales» que los astrónomos quieren leer parecen tan pequeñas que a nosotros también nos cuesta trabajo hacerlo.

“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 ciertas estrellas en estas galaxias nos dice qué tan lejos están y por lo tanto cuánto tiempo ha viajado esa luz para llegar a nosotros, y los corrimientos al rojo de las galaxias nos dicen cuánto se ha expandido el universo a lo largo de este período, indicando así a nosotros la expansión tasa.

Este diagrama ilustra el poder combinado de los telescopios espaciales Hubble y Webb de la NASA para determinar distancias precisas a una clase especial de estrellas variables utilizadas para calibrar la tasa de expansión del universo. Estas estrellas variables cefeidas son visibles en campos estelares abarrotados. La contaminación lumínica de las estrellas circundantes puede hacer que la medición del brillo de una cefeida sea menos precisa. La visión infrarroja más nítida de Webb 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 fueron esenciales para establecer el peldaño inferior 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 de la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de Webb y la cámara de campo amplio 3 del Hubble. Crédito: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

“Una clase particular de estrellas, las variables cefeidas, nos ha 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) durante un período de semanas, lo que indica su brillo relativo. Cuanto más largo es el período, más brillantes son inherentemente. Constituyen la herramienta de referencia para medir las distancias de galaxias situadas a cien millones de años luz o más, un paso crucial para determinar la constante de Hubble. Desafortunadamente, las estrellas en las galaxias están empaquetadas en un espacio pequeño en relación con nuestro punto de observación distante y, por lo tanto, a menudo carecemos de la resolución para separarlas de sus vecinas en la línea de visión.

La contribución del Hubble y el progreso de Webb

“Una de las principales razones para construir el Telescopio Espacial Hubble fue resolver este problema. Antes del lanzamiento del Hubble en 1990 y las mediciones posteriores de las Cefeidas, el ritmo de expansión del universo era tan incierto que los astrónomos no sabían 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 dará como resultado una edad más joven del universo, y una tasa de expansión más lenta dará como resultado una edad más vieja 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. Gracias a ello, puede identificar variables individuales de cefeidas en galaxias situadas a más de cien millones de años luz de distancia y medir el intervalo de tiempo durante el cual cambia 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 óptica azul, palideciendo los objetos distantes y haciéndonos pensar que están más lejos de lo que están). Desafortunadamente, la visión de la luz roja del Hubble no es tan nítida como la de la azul, por lo que la luz de las estrellas Cefeidas que vemos allí se mezcla 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 esto agrega ruido a las mediciones. La ropa de algunas personas es más pesada que la de otras.

“Sin embargo, la visión infrarroja precisa 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 vecinas con poca mezcla. Durante el primer año de funcionamiento de Webb con nuestro programa General Observers 1685, recopilamos observaciones de cefeidas encontradas por Hubble en dos niveles de lo que se conoce como escala de distancia cósmica. El primer paso es observar las Cefeidas en una galaxia con una distancia geométrica conocida que nos permita calibrar el brillo real de las Cefeidas. Para nuestro programa, esta 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 el conocimiento de la distancia a las supernovas para calibrar sus verdaderas luminosidades. El tercer paso es observar estas supernovas a distancia, donde la expansión del universo es evidente y puede medirse comparando las distancias deducidas de su luminosidad y los corrimientos 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 las etapas uno y dos, lo que nos permitió completar la escala de distancias y compararlas con mediciones anteriores con el Hubble (ver figura). Las mediciones de Webb han reducido significativamente el ruido en las mediciones de Cefeidas debido a la resolución de «Este tipo de mejora es un sueño para los astrónomos. Observamos más de 320 cefeidas durante las dos primeras etapas. Confirmamos que las mediciones anteriores del Telescopio Espacial Hubble eran precisas, aunque más ruidosas. También observó otros cuatro anfitriones de supernovas con Webb y vio un resultado similar para toda la muestra.

Comparación de las relaciones período-luminosidad de las Cefeidas utilizadas para medir distancias. Los puntos rojos son del Webb de la NASA y los puntos grises son del Hubble de la NASA. El panel superior es para NGC 5584, el anfitrión de la supernova de Tipo Ia, y el recuadro muestra imágenes intermedias 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 los módulos de distancia entre NGC 5584 y NGC 4258, medidos con cada telescopio. Los dos telescopios coinciden perfectamente. Crédito: NASA, ESA, A. Riess (STScI) y G. Anand (STScI)

El misterio perdurable del voltaje del Hubble

“¡Lo que los resultados aún no explican es por qué el universo parece expandirse tan rápidamente! Podemos predecir la tasa de expansión del universo al observar su imagen de bebé, el fondo cósmico de microondas, y luego utilizamos nuestro mejor modelo de crecimiento a lo largo del tiempo para decirnos qué tan rápido debería expandirse el universo hoy. El hecho de que la medida actual de la tasa de expansión supere con creces las expectativas es un problema que ya lleva una década llamado la «tensión del Hubble». La posibilidad más interesante es que la tensión sea una pista de algo que nos falta en nuestra comprensión del cosmos.

“Esto puede 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 mundana sería que múltiples errores de medición conspiraran en la misma dirección (los astrónomos descartaron un solo error usando pasos independientes), por lo que es tan importante volver a medir con mayor fidelidad. Con Webb confirmando las mediciones de Hubble, las mediciones de Webb proporcionan la evidencia más sólida hasta la fecha de que los errores sistemáticos en la fotometría de Cefeidas de Hubble no juegan un papel significativo en la cepa actual de Hubble. Como resultado, las posibilidades más interesantes siguen sobre la mesa y el misterio de la tensión se profundiza”.

Este artículo destaca datos de un papel que fue aceptado por el Revista de Astrofísica.

Referencia: “No más aglomeración: 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, La revista 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 Física 2011.