Calculando las distancias y la expansión del Universo

Escalera de distancia cósmica.
Para la calibración de distancias relativamente cortas, el equipo observó las variables Cefeidas. Estas son estrellas pulsantes que se desvanecen y se iluminan a ritmos que son proporcionales a su verdadero brillo y esta propiedad permite a los astrónomos determinar sus distancias. Los investigadores calibraron las distancias a las Cefeidas usando una técnica geométrica básica llamada paralaje. Con la Wide Field Camera 3 (WFC3) de Hubble con ojos afilados, extendieron las mediciones de paralaje más allá de lo que era posible anteriormente, a través de la galaxia de la Vía Láctea. Para obtener distancias precisas a las galaxias cercanas, el equipo buscó galaxias que contengan tanto cefeidas como supernovas de Tipo Ia. Las supernovas de tipo Ia siempre tienen el mismo brillo intrínseco y también son lo suficientemente brillantes como para verse a distancias relativamente grandes. Al comparar el brillo observado de ambos tipos de estrellas en esas galaxias cercanas, el equipo podría medir con precisión el brillo verdadero de la supernova. Usando este escalón calibrado en la escalera de distancia, se calculó la distancia exacta a 300 supernovas de tipo Ia adicionales en galaxias lejanas. Ellos comparan esas mediciones de distancia con la forma en que la luz de las supernovas se estira a longitudes de onda más largas mediante la expansión del espacio. Finalmente, usan estos dos valores para calcular qué tan rápido se expande el universo con el tiempo, llamado constante de Hubble. Crédito: NASA, ESA, A. Feild (STScI) y A. Riess (STScI / JHU)

Hubble encuentra que el Universo puede estar expandiéndose más rápido de lo esperado.
El HST.

Los astrónomos han utilizado el Hubble para medir las distancias a las estrellas en diecinueve galaxias con más precisión de lo que era posible. Encontraron que el Universo se está expandiendo actualmente más rápido que la tasa derivada de las mediciones del Universo poco después del Big Bang. Si se confirma, esta aparente inconsistencia puede ser una clave importante para comprender tres de los componentes más difíciles del Universo: la materia oscura, la energía oscura y los neutrinos.

Un equipo de astrónomos, liderado por el Premio Nobel Adam Riess y usando el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA, descubrió que el Universo se está expandiendo entre un cinco y nueve por ciento más rápido de lo calculado previamente. Esto está en clara discrepancia con la tasa prevista de las mediciones del Universo infantil.

"Este hallazgo sorprendente puede ser una pista importante para entender aquellas partes misteriosas del Universo que constituyen el 95 por ciento de todo y no emiten luz, como energía oscura, materia oscura y radiación oscura", explica Adam Riess del Espacio Telescope Science Institute y la Universidad Johns Hopkins, ambas en Baltimore, Estados Unidos.

Una posible explicación de esta expansión inesperadamente rápida del Universo es un nuevo tipo de partícula subatómica que puede haber cambiado el equilibrio de energía en el Universo temprano, la llamada radiación oscura.

El equipo hizo el descubrimiento refinando la medida de la rapidez con la que el Universo se está expandiendo, un valor llamado la constante de Hubble, a una precisión sin precedentes, reduciendo la incertidumbre a sólo el 2,4 por ciento [1].

Esta nueva medición presenta un rompecabezas porque no concuerda con la tasa de expansión encontrada al mirar los momentos poco después del Big Bang. Las mediciones de la persistencia del Big Bang de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson de la NASA y la misión satelital Planck de la Agencia Espacial Europea producen predicciones más pequeñas para la constante de Hubble.

Esta imagen tomada con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA muestra una de las galaxias en el estudio para refinar la medida de la velocidad a la que el Universo se expande con el tiempo, llamada constante de Hubble. La galaxia, UGC 9391, contiene dos tipos de estrellas que los astrónomos usan para calcular distancias precisas a las galaxias, una medida clave para determinar la constante de Hubble: variables cefeidas (marcadas con círculos rojos) que pulsan a velocidades que corresponden a su brillo real; y una supernova de Tipo Ia (la cruz azul indica la posición de la supernova 2003du). Estas supernovas son otra medida cósmica comúnmente utilizada. Brillan con el mismo brillo y son lo suficientemente brillantes como para verse desde distancias relativamente más largas. Los astrónomos calibran las supernovas con las Cefeidas en galaxias como UGC 9391 para que puedan calcular con precisión las distancias a estrellas explosivas lejanas. UGC 9391 reside a unos 130 millones de años luz de la Tierra. Crédito: NASA, ESA y A. Riess (STScI / JHU)

Comparando la tasa de expansión del Universo calculada por WMAP y Planck (para el tiempo después del Big Bang) y Hubble (para nuestro Universo moderno) es como construir un puente, Riess explica: "Comienzas por dos extremos y esperas encontrarte en el centro si todos sus dibujos son correctos y sus medidas son correctas. Pero ahora los extremos no se encuentran en el medio y queremos saber por qué. "

Esta determinación refinada de la constante de Hubble fue posible haciendo mediciones precisas de las distancias a galaxias cercanas y lejanas usando Hubble [2]. Las medidas de distancia mejoradas se hicieron mediante la racionalización y el fortalecimiento de la escala de distancia cósmica, que los astrónomos utilizan para medir distancias exactas a las galaxias. El equipo comparó estas distancias medidas con la expansión del espacio, medida por el estiramiento de la luz procedente de galaxias de retroceso, y estos dos valores se utilizaron para calcular la constante de Hubble.

El equipo continúa usando el Hubble con el objetivo de reducir aún más la incertidumbre en la constante de Hubble, su objetivo es alcanzar una incertidumbre de sólo 1 por ciento. Los telescopios actuales como el satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea y futuros telescopios como el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA / CSA y el Telescopio Europeo Extremadamente Grande (E-ELT) también podrían ayudar a los astrónomos a realizar mejores mediciones de la expansión Y conducir a una mejor comprensión de nuestro Universo y las leyes que lo gobiernan.

Notas
[1] Antes de lanzar el Hubble en 1990, las estimaciones de la constante de Hubble variaron en un factor de dos. A finales de la década de 1990, el Proyecto Clave del Telescopio Espacial Hubble en la Escala de Distancia Extragaláctica refinó el valor de la constante de Hubble hasta un 10 por ciento, logrando uno de los objetivos clave del telescopio. El nuevo y mejorado valor constante de Hubble es de 73,02 kilómetros por segundo por Megaparsec (donde un Megaparsec equivale a 3,26 millones de años luz).

El WFC3 de Hubble.


[2] Para la calibración de distancias relativamente cortas, el equipo observó variables cefeidas. Estas son estrellas pulsantes que se desvanecen y se iluminan a velocidades que son proporcionales a su verdadero brillo y esta propiedad permite a los astrónomos determinar sus distancias. Los investigadores calibraron las distancias a las Cepheids usando una técnica geométrica básica llamada paralaje. Con la cámara de campo amplio 3 (WFC3) de Hubble, ampliaron las mediciones de paralaje más allá de lo posible, a través de la galaxia de la Vía Láctea. Para obtener distancias exactas a las galaxias cercanas, el equipo buscó galaxias que contenían tanto las cefeidas como las supernovas de tipo Ia. Las supernovas de tipo Ia siempre tienen el mismo brillo intrínseco y también son lo suficientemente brillantes como para ser vistas a distancias relativamente grandes. Al comparar el brillo observado de ambos tipos de estrellas en las galaxias cercanas, el equipo podría medir con precisión el verdadero brillo de la supernova. Usando este peldaño calibrado en la escala de la distancia se calculó la distancia exacta a 300 supernovas adicionales del tipo Ia en galaxias lejanas.

Más información.
El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la ESA y la NASA.

Equipo científico.
El equipo internacional de astrónomos de este estudio está formado por Adam G. Riess (Universidad John Hopkins, EE.UU., STScI, EE.UU.), Lucas M. Macri (Universidad Texas A & M, EE.UU.), Samantha L. Hoffmann (Universidad Texas A & M, Dan Scolnic (Universidad John Hopkins, EE.UU.), Stefano Casertano (STScI, EE.UU.), Alexei V. Filippenko (Universidad de California Berkeley, EE.UU.), Brad E. Tucker (Universidad de California en Berkeley, David Jones (John Hopkins University, EE.UU.), Jeffrey M. Silverman (Universidad de Texas, EE.UU.), Ryan Chornock (Universidad de Ohio, EE.UU.), Mark J. Reid (Centro de Astrofísica de Harvard-Smithsonian, , EE.UU.), Peter Challis (Harvard-Smithsonian Centro de Astrofísica, EE.UU.), Wenlong Yuan (Texas A & M University, EE.UU.), y Ryan J. Foley (Universidad de Illinois en Urbana-Champaign,

Crédito de la imagen: 
NASA, ESA

Publicado en Hubble el 2 de junio del 2.016.