Nueva medición del Hubble fortalece la discrepancia en la tasa de expansión del universo.

Gafas cósmicas rinden la medida independiente de la expansión del universo.

Cada una de estas instantáneas del Telescopio Espacial Hubble revela cuatro imágenes distorsionadas de un quásar de fondo que rodea el núcleo central de una galaxia masiva en primer plano. Las múltiples imágenes del cuásar fueron producidas por la gravedad de la galaxia en primer plano, que actúa como una lupa al deformar la luz del cuásar en un efecto llamado lente gravitacional. Los cuásares son faroles cósmicos extremadamente distantes producidos por agujeros negros activos. Los rayos de luz de cada imagen de quásar con lente toman un camino ligeramente diferente a través del espacio para llegar a la Tierra. La longitud del camino depende de la cantidad de materia que está distorsionando el espacio a lo largo de la línea de visión hacia el cuásar. Para rastrear cada camino, los astrónomos monitorean el parpadeo de la luz del cuásar mientras su agujero negro traga material. Cuando la luz parpadea, cada imagen con lente se ilumina en un momento diferente. Esta secuencia parpadeante permite a los investigadores medir los retrasos de tiempo entre cada imagen a medida que la luz con lente viaja a lo largo de su camino hacia la Tierra. Estas mediciones de retraso de tiempo ayudaron a los astrónomos a calcular qué tan rápido está creciendo el universo, un valor llamado constante de Hubble. Las imágenes del Hubble se tomaron entre 2003 y 2004 con la Cámara avanzada para encuestas.
CRÉDITOS: NASA, ESA, S.H. Suyu (Instituto Max Planck de Astrofísica, Universidad Técnica de Múnich y Academia Sinica Instituto de Astronomía y Astrofísica), y K.C. Wong (Instituto Kavli de la Universidad de Tokio para la Física y las Matemáticas del Universo)

Un equipo de astrónomos que utiliza el telescopio espacial Hubble de la NASA ha medido la tasa de expansión del universo utilizando una técnica que es completamente independiente de cualquier método anterior.

Conocer el valor preciso de qué tan rápido se expande el universo es importante para determinar la edad, el tamaño y el destino del cosmos. Desentrañar este misterio ha sido uno de los mayores desafíos en astrofísica en los últimos años. El nuevo estudio agrega evidencia a la idea de que pueden ser necesarias nuevas teorías para explicar lo que los científicos están encontrando.

El resultado de los investigadores fortalece aún más una inquietante discrepancia entre la tasa de expansión, llamada constante de Hubble, calculada a partir de las mediciones del universo local y la tasa predicha por la radiación de fondo en el universo temprano, un tiempo antes de que existieran las galaxias y las estrellas.

Este último valor representa la medición más precisa hasta ahora utilizando el método de lente gravitacional, donde la gravedad de una galaxia en primer plano actúa como una lente de aumento gigante, amplificando y distorsionando la luz de los objetos de fondo. Este último estudio no se basó en la técnica tradicional de "escala de distancia cósmica" para medir distancias precisas a las galaxias mediante el uso de varios tipos de estrellas como "marcadores de hitos". En cambio, los investigadores emplearon la física exótica de las lentes gravitacionales para calcular la tasa de expansión del universo.

El equipo de astronomía que realizó las nuevas mediciones constantes de Hubble se denomina H0LiCOW (lentes H0 en Wellspring de COSMOGRAIL). COSMOGRAIL es el acrónimo de Monitoreo cosmológico de lentes gravitacionales, un gran proyecto internacional cuyo objetivo es monitorear lentes gravitacionales. "Wellspring" se refiere a la abundante oferta de sistemas de lentes de quasar.

El equipo de investigación obtuvo el valor H0LiCOW para la constante de Hubble a través de técnicas de observación y análisis que se han refinado en gran medida en las últimas dos décadas.

H0LiCOW y otras mediciones recientes sugieren una tasa de expansión más rápida en el universo local de lo que se esperaba según las observaciones del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea de cómo se comportó el cosmos hace más de 13 mil millones de años.

El abismo entre los dos valores tiene implicaciones importantes para comprender los parámetros físicos subyacentes del universo y puede requerir una nueva física para explicar la falta de coincidencia.

"Si estos resultados no están de acuerdo, puede ser una pista de que aún no entendemos completamente cómo evolucionó la materia y la energía con el tiempo, particularmente en los primeros tiempos", dijo el líder del equipo H0LiCOW, Sherry Suyu, del Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania, la Universidad Técnica de Múnich y el Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sínica en Taipei, Taiwán.

El telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA en el espacio. Crédito: NASA/ESA.

Como lo hicieron.

El equipo de H0LiCOW usó el Hubble para observar la luz de seis quásares lejanos, los brillantes reflectores de los agujeros negros supermasivos en órbita de gas en los centros de las galaxias. Los cuásares son objetos de fondo ideales por muchas razones; por ejemplo, son brillantes, extremadamente distantes y dispersos por todo el cielo. El telescopio observó cómo la luz de cada cuásar se multiplicaba en cuatro imágenes por la gravedad de una galaxia masiva en primer plano. Las galaxias estudiadas están a entre 3 y 6.500 millones de años luz de distancia. La distancia promedio de los cuásares es de 5.500 millones de años luz de la Tierra.

Los rayos de luz de cada imagen de quásar con lente toman un camino ligeramente diferente a través del espacio para llegar a la Tierra. La longitud del camino depende de la cantidad de materia que está distorsionando el espacio a lo largo de la línea de visión hacia el cuásar. Para rastrear cada camino, los astrónomos monitorean el parpadeo de la luz del cuásar mientras su agujero negro traga material. Cuando la luz parpadea, cada imagen con lente se ilumina en un momento diferente.

Esta secuencia parpadeante permite a los investigadores medir los retrasos de tiempo entre cada imagen a medida que la luz con lente viaja a lo largo de su camino hacia la Tierra. Para comprender completamente estos retrasos, el equipo utilizó primero el Hubble para hacer mapas precisos de la distribución de la materia en cada galaxia de lentes. Los astrónomos podrían deducir de manera confiable las distancias desde la galaxia hasta el cuásar, y desde la Tierra hasta la galaxia y hasta el cuásar de fondo. Al comparar estos valores de distancia, los investigadores midieron la tasa de expansión del universo.

"La duración de cada retraso indica qué tan rápido se está expandiendo el universo", dijo el miembro del equipo Kenneth Wong del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo de la Universidad de Tokio, autor principal del artículo más reciente de la colaboración H0LiCOW. "Si los retrasos son más cortos, entonces el universo se está expandiendo a un ritmo más rápido. Si son más largos, entonces la tasa de expansión es más lenta".

El proceso de retraso de tiempo es análogo a cuatro trenes que salen de la misma estación exactamente al mismo tiempo y viajan a la misma velocidad para llegar al mismo destino. Sin embargo, cada uno de los trenes llega al destino en un momento diferente. Esto se debe a que cada tren toma una ruta diferente y la distancia para cada ruta no es la misma. Algunos trenes viajan por colinas. Otros atraviesan valles y otros recorren montañas. A partir de los variados horarios de llegada, se puede inferir que cada tren viajó una distancia diferente para llegar a la misma parada. Del mismo modo, el patrón de parpadeo del quásar no aparece al mismo tiempo porque parte de la luz se retrasa al viajar alrededor de las curvas creadas por la gravedad de la materia densa en la galaxia interviniente.

Este gráfico ilustra cómo la luz de un cuásar lejano se ve alterada por una galaxia masiva en primer plano y por pequeños grupos de materia oscura a lo largo del camino de la luz. La poderosa gravedad de la galaxia deforma y magnifica la luz del cuásar, produciendo cuatro imágenes distorsionadas del cuásar. Los grupos de materia oscura residen a lo largo de la línea de visión del telescopio espacial Hubble hacia el cuásar, así como dentro y alrededor de la galaxia en primer plano. La presencia de los grupos de materia oscura altera el brillo aparente y la posición de cada imagen de cuásar distorsionada al deformar y doblar ligeramente la luz a medida que viaja desde el lejano cuásar a la Tierra, como lo representan las líneas onduladas en el gráfico. Los astrónomos compararon estas mediciones con predicciones de cómo se verían las imágenes del cuásar sin la influencia de los grupos de materia oscura. Los investigadores utilizaron estas medidas para calcular las masas de las pequeñas concentraciones de materia oscura. Las imágenes cuádruples de un cuásar son raras porque el cuásar de fondo y la galaxia de primer plano requieren una alineación casi perfecta. Créditos: NASA, ESA y D. Player (STScI)

Cómo se compara.

Los investigadores calcularon un valor constante de Hubble de 73 kilómetros por segundo por megaparsec (con un 2,4% de incertidumbre). Esto significa que por cada 3,3 millones de años luz de distancia adicional que una galaxia está de la Tierra, parece moverse 73 kilómetros por segundo más rápido, debido a la expansión del universo.

La medición del equipo también está cerca del valor constante de Hubble de 74 calculado por el equipo Supernova H0 para el equipo de Ecuación de Estado (SH0ES), que utilizó la técnica de la escala de distancia cósmica. La medición SH0ES se basa en medir las distancias a las galaxias cercanas y lejanas a la Tierra mediante el uso de estrellas y supernovas variables Cefeidas como palos de medición de las galaxias.

Los valores SH0ES y H0LiCOW difieren significativamente del número de Planck de 67, lo que refuerza la tensión entre las mediciones constantes de Hubble del universo moderno y el valor predicho basado en las observaciones del universo primitivo.

"Uno de los desafíos que superamos fue tener programas de monitoreo dedicados a través de COSMOGRAIL para obtener los retrasos en el tiempo para varios de estos sistemas de lentes cuasar", dijo Frédéric Courbin de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, líder del proyecto COSMOGRAIL.

Suyu agregó: "Al mismo tiempo, se desarrollaron nuevas técnicas de modelado en masa para medir la distribución de materia de una galaxia, incluidos los modelos que diseñamos para utilizar las imágenes de alta resolución del Hubble. Las imágenes nos permitieron reconstruir, por ejemplo, las galaxias anfitrionas de cuásares. Estas imágenes, junto con imágenes adicionales de campo más amplio tomadas de telescopios terrestres, también nos permiten caracterizar el entorno del sistema de lentes, que afecta la curvatura de los rayos de luz. Las nuevas técnicas de modelado de masas, en combinación con el retrasos de tiempo, ayúdenos a medir distancias precisas a las galaxias ".

Comenzado en 2012, el equipo de H0LiCOW ahora tiene imágenes de Hubble e información de retardo de tiempo para 10 cuásares con lentes y galaxias de lentes intervinientes. El equipo continuará buscando y haciendo un seguimiento de los nuevos cuásares con lentes en colaboración con investigadores de dos nuevos programas. Un programa, llamado STRIDES (Perspectivas de lentes extraños en la Encuesta de Energía Oscura), está buscando nuevos sistemas de cuásar con lentes. El segundo, llamado SHARP (Programa de lentes fuertes en alta resolución angular), usa óptica adaptativa con el W.M. Telescopios Keck para obtener imágenes de los sistemas con lentes. El objetivo del equipo es observar 30 sistemas de cuásar con lentes más para reducir su incertidumbre del 2,4% por ciento al 1%.

El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA, que se lanzará en 2021, puede ayudarlos a alcanzar su objetivo de 1% de incertidumbre mucho más rápido a través de la capacidad de Webb de mapear las velocidades de las estrellas en una galaxia de lentes, lo que permitirá a los astrónomos desarrollar modelos más precisos de la distribución de galaxia de la materia oscura.

El trabajo del equipo H0LiCOW también allana el camino para estudiar cientos de quásares con lentes que los astrónomos están descubriendo a través de encuestas como el Dark Energy Survey y PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), y el próximo Gran Telescopio Sinóptico de la National Science Foundation. Se espera que descubra miles de fuentes adicionales.

Además, el Telescopio de prospección infrarroja de campo amplio de la NASA (WFIRST) ayudará a los astrónomos a abordar el desacuerdo en el valor constante del Hubble al rastrear la historia de expansión del universo. La misión también utilizará múltiples técnicas, como muestrear miles de supernovas y otros objetos a varias distancias, para ayudar a determinar si la discrepancia es el resultado de errores de medición, técnicas de observación o si los astrónomos necesitan ajustar la teoría de la cual derivan sus predicciones

El equipo presentará sus resultados en la 235 ª reunión de la American Astronomical Society en Honolulu, Hawaii.

Este gráfico enumera la variedad de técnicas que los astrónomos han utilizado para medir la tasa de expansión del universo, conocida como la constante de Hubble. Conocer el valor preciso de qué tan rápido se expande el universo es importante para determinar la edad, el tamaño y el destino del cosmos. Un conjunto de observaciones examinó el universo muy temprano. Sobre la base de esas mediciones, los astrónomos calcularon un valor constante de Hubble. Un segundo conjunto de estrategias de observación analizó la expansión del universo en el universo local. El desafío para los cosmólogos es que estos dos enfoques no llegan al mismo valor. Es tan desconcertante como dos secciones opuestas de un puente en construcción que no se alinean. Claramente algo está mal, pero ¿qué? Los astrofísicos pueden necesitar repensar sus ideas sobre los fundamentos físicos del universo observable. La mitad superior de la ilustración describe los siete métodos diferentes utilizados para medir la expansión en el universo local. Las letras correspondientes a cada técnica se trazan en el puente a la derecha. La ubicación de cada punto en la carretera del puente representa el valor medido de la constante de Hubble, mientras que la longitud de la barra asociada muestra la cantidad estimada de incertidumbre en las mediciones. Los siete métodos combinados producen un valor constante promedio de Hubble de 73 kilómetros por segundo por megaparsec. Este número está en desacuerdo con el valor combinado de las técnicas que los astrónomos usaron para calcular la tasa de expansión del universo desde el cosmos temprano (que se muestra en la mitad inferior del gráfico). Sin embargo, estas cinco técnicas son generalmente más precisas porque tienen incertidumbres estimadas más bajas, como se muestra en la trama en la carretera del puente. Su valor combinado para la constante de Hubble es 67.4 kilómetros por segundo por megaparsec. CRÉDITOS: NASA, ESA y A. James (STScI).

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la Agencia Espacial Europea (ESA) y la NASA. El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, D.C.

Crédito:

NASA, ESA, S.H. Suyu (Instituto Max Planck de Astrofísica, Universidad Técnica de Múnich y Academia Sinica Instituto de Astronomía y Astrofísica), y K.C. Wong (Instituto Kavli de la Universidad de Tokio para la Física y las Matemáticas del Universo).

Contacto:

Donna Weaver / Ray Villard

Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland
410-338-4493 / 410-338-4514

Sherry Suyu

Instituto Max Planck de Astrofísica, Garching, Alemania

Kenneth Wong

Instituto Kavli de la Universidad de Tokio para la Física y las Matemáticas del Universo, Chiba, Japón

Geoff Chih-Fan Chen

Universidad de California, Davis, California

• Publicado en HubbleSite el 8 de enero del 2020, enlace publicación.

Comentarios