H0Li VACA! ¿Se está expandiendo nuestro universo más rápido de lo que pensábamos?

Nuevas observaciones de los cuásares podrían contradecir los resultados derivados del fondo cósmico de microondas, lo que sugiere que la expansión del universo podría estar acelerándose más de lo que pensábamos.

Un nuevo estudio de tres quásares parpadeantes amplificados a través de lentes cósmicos dice que el universo podría expandirse aún más rápido de lo que algunos cosmólogos pensaban. El resultado dice números increíblemente precisos derivados de observaciones del fondo cósmico de microondas (CMB).

Sin embargo, las palabras clave en la primera oración son `` podría ser ''. El resultado no entra en conflicto con todas las mediciones de la tasa de expansión cósmica, y la aparente contradicción no está causando que los astrónomos perder el sueño por el momento Aquí es por qué.

El cuásar con lente gravitacional, HE0435-1223, aparece en esta imagen de campo amplio. Es uno de los tres cuásares con lentes utilizados para calcular el valor de la constante de Hubble, que mide la expansión y la edad del universo. La galaxia en primer plano crea cuatro imágenes distribuidas casi uniformemente del cuásar distante a su alrededor.
ESA / Hubble / NASA / Suyu et al.

La inconstancia de la constante de Hubble

La tasa de expansión de galaxias distantes, trazada como su distancia frente a su velocidad de recesión, como dedujeron independientemente Edwin Hubble y George Lemaitre. (Haga clic para obtener una vista más grande que muestre ambas parcelas).
E. Hubble / D. Block / H. Duerbeck

Cuando Edwin Hubble examinó las velocidades de las galaxias cercanas hace casi un siglo, descubrió que todas se estaban alejando de la Vía Láctea, y cuanto más lejos estaban, más rápido parecían moverse. Midió la tasa actual de recesión, ahora conocida como la constante de Hubble (aunque el crédito también pertenece a otros), en kilómetros por segundo por megaparsec. (Un megaparsec es un millón de parsecs, y un parsec es 3.26 años luz).

Las mediciones iniciales de la constante de Hubble fueron bastante imprecisas, pero hacia la última mitad del siglo XX, se volvieron tan buenas que dos equipos debatieron acaloradamente su valor. Un lado abogó por una constante del Hubble más cercana a 100 km / s / Mpc, mientras que el otro lado dijo que debería estar más cerca de 50 km / s / Mpc.

El asunto se resolvió parcialmente con la ayuda de nuevas observaciones de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) y el telescopio espacial Hubble. Las dos naves espaciales observaron el universo desde extremos opuestos del tiempo cósmico. WMAP mapeó el resplandor del Big Bang, un siseo de radio escuchado desde todas las direcciones del universo. Las fluctuaciones de temperatura en este fondo cósmico de microondas revelan variaciones de densidad diminutas en el universo muy joven cuando tenía solo 380, 000 años.

Mientras tanto, Hubble monitoreó el parpadeo constante de las estrellas variables Cefeidas en las galaxias cercanas; Los períodos de estas estrellas están directamente vinculados a sus brillos, y los astrónomos que observan estas velas estándar pueden calcular las distancias galácticas y, por lo tanto, la constante de Hubble.

A comienzos del siglo XXI, el polvo parecía haberse despejado: los equipos WMAP y Hubble habían establecido valores cercanos a 70 km / s / Mpc.

Sin embargo, a medida que los astrónomos continuaron reduciendo el rango de incertidumbre sobre el valor exacto de la constante, utilizando nuevos datos de Hubble y Planck (sucesor de WMAP), la brecha comenzó a ampliarse nuevamente. Las mediciones de Planck revisadas recientemente dieron una constante de Hubble de 67.8 +/- 0.9, mientras que las observaciones recientes de Hubble de las variables Cefeidas resultaron en un valor de 73.2 +/- 1.7 km / seg / Mpc. Solo hay un 0, 3% de posibilidades de que esta diferencia pueda ser una casualidad estadística, aunque eso no significa que a los astrónomos no les falte algún efecto que contrarreste sistemáticamente las observaciones. Parece que solo más y mejores datos resolverán el asunto, déjà vu nuevamente.

H0Li COW: una nueva perspectiva

Muchos objetos celestes se han encontrado parte de la búsqueda para medir la constante de Hubble: estrellas cefeidas, supernovas, cúmulos de galaxias y el fondo cósmico de microondas, por nombrar algunos. Ahora los cuásares han entrado en la refriega.

Son bastante comunes a medida que avanzan los cuásares, pero se encuentran detrás de galaxias masivas cuando se ven desde la Tierra. La gravedad de cada galaxia actúa como una lente cósmica, doblando la luz del quásar de fondo y dividiendo la luz en cuatro imágenes, una formación conocida como la Cruz de Einstein.

Siendo esta la vida real, las cosas no están perfectamente alineadas, por lo que los cuatro caminos tomados por la luz de un cuásar no son idénticos. No solo eso, sino que toman diferentes caminos a través de la galaxia de lentes, por lo que algunos caminos encuentran más cosas en el camino. El efecto es similar al de cuatro amigos que conducen por rutas separadas para llegar de Boston a Nueva York. Incluso si se van al mismo tiempo, pueden llegar a diferentes horas dependiendo de qué tan larga sea su ruta y cuánto tráfico encuentren.

Nunca notarías la diferencia en los tiempos de llegada si la luz fuera constante, pero el parpadeo es una de las características definitorias de los cuásares. Mientras los astrónomos entiendan la lente en forma de galaxia por la que pasa la luz, todo lo que tienen que hacer es medir el retraso de tiempo entre las cuatro imágenes parpadeantes y tendrán una medida independiente de todas las distancias en el sistema, independientemente de el desplazamiento hacia el rojo del quásar o lente de la galaxia. A partir de eso, pueden calcular la constante de Hubble.

La obtención de imágenes de lentes gravitacionales como estas es el objetivo de una gran colaboración internacional conocida como Monitoreo cosmológico de lentes gravitacionales (COSMOGRAIL) y especialmente el subgrupo denominado lentes H 0 en Wellspring de COSMOGRAIL (H0Li COW). (Como en, vaca sagrada, ¡deletrear esos acrónimos tomó un párrafo entero!)

El proyecto H0Li COW finalmente funcionará con los cinco cuásares gravitacionales en su muestra para medir la constante de Hubble con mayor precisión. Los resultados presentados aquí se basan en el análisis de las imágenes segunda, tercera y quinta de esta fila; El equipo todavía está analizando las dos imágenes restantes.
ESA / Hubble / NASA / Suyu et al.

Hasta ahora, el grupo ha analizado tres de los cinco cuásares con lentes. En un artículo publicado en los Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, Vivien Bonvin (Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza) y sus colegas anunciaron una nueva determinación de la constante de Hubble, entre 68.9 y 74.3.

Todavía hay mucho margen de maniobra para decir si esto no está de acuerdo con el resultado de Planck. (En términos técnicos, la significancia estadística de la diferencia es 2 sigma, o 98.7%, que no es suficiente para convencer a los científicos por sí sola). Aún así, está más en línea con los resultados basados ​​en las cefeidas cercanas. El resultado de la lente también extiende una tendencia continua: la constante de Hubble derivada de los objetos en el universo "maduro" es consistentemente más alta que la constante de Hubble calculada a partir de las mediciones del universo más joven como se ve en el fondo cósmico de microondas (los tres puntos a la izquierda en la trama de abajo).

Esta gráfica incluye tres valores derivados de mediciones del fondo cósmico de microondas (lado izquierdo de la gráfica) y cuatro valores derivados de objetos "cercanos" (lado derecho de la gráfica). El valor más a la derecha es el que Bonvin y sus colegas derivaron de los cuásares con lentes. (Nota: este gráfico no incluye de ninguna manera. Además, los valores presentados aquí son los resultados básicos de cada estudio; cualquiera de estos valores se puede hacer más preciso combinando información con otros conjuntos de datos, como oscilaciones acústicas barónicas .)
Ana Aceves

Dando sentido a la discrepancia

Entonces, ¿qué piensa la comunidad de astronomía sobre la discrepancia? Después de todo, una diferencia real podría apuntar a la necesidad de una nueva física, algún cambio en nuestra teoría de la cosmología que afecta el comienzo del universo de una manera diferente a la que vivimos. Pero aún existe la posibilidad de que la diferencia no sea t real en absoluto. Los sentimientos encontrados reinan.

"Ahora que nuestra técnica se está volviendo lo suficientemente precisa como para desempeñar un papel importante en ese contexto, la idea de que resolver la tensión podría necesitar un cambio real en nuestra comprensión de la física se está volviendo cada vez más popular", dice Bonvin.

Pero no todos están de acuerdo.

"Esto no me mantiene despierto por la noche", dice Ned Wright (UCLA), que no participó en el estudio H0Li COW. "Las diferencias de dos sigmas [es decir, las diferencias que tienen un 5% de probabilidad de ocurrir por casualidad estadística] ocurren con bastante frecuencia, por lo que está perdiendo el tiempo persiguiéndolas".

Bonvin está de acuerdo en que los resultados de H0Li COW por sí solos no son lo suficientemente fuertes como para hacer ningún reclamo, tampoco lo mantienen despierto por la noche. Aún así, argumenta, "las cosas comienzan a volverse realmente interesantes cuando consideramos los tres experimentos por completo".

Dado que la técnica de lente del cuásar es completamente independiente de las velas estándar Cepheid, los dos valores se pueden promediar y comparar con la constante de Hubble medida a partir de los datos de Planck. Cuando haces eso, dice Bonvin, la diferencia se vuelve más interesante (con un significado estadístico de 3.9 sigma, para aquellos que realizan un seguimiento).

Concepto artístico del telescopio de gran sinóptico de 8.4 metros (LSST), que debería comenzar a escanear el cielo en 2022.

El equipo aún está analizando dos lentes cuásares más y logrará una precisión más estricta con esos resultados a principios de 2018. Además, con la llegada del Gran telescopio de reconocimiento sinóptico (LSST) y otros estudios del cielo, el descubrimiento y monitoreo de lentes cuásares adicionales permitirá a los astrónomos reducir a la mitad el margen de maniobra estadística. Gaia y JWST también serán cruciales para medir con precisión la distancia a las cefeidas más lejanas.

La nueva física aún puede ayudar a resolver la tensión en las mediciones constantes de Hubble, pero en última instancia, la clave para resolver la diferencia se reduce a encontrar más y mejores datos.