Las nuevas mediciones de distancia refuerzan el desafío al modelo básico del universo.
Un nuevo conjunto de mediciones de distancia de precisión realizadas con una colección internacional de radiotelescopios ha aumentado en gran medida la probabilidad de que los teóricos necesiten revisar el "modelo estándar" que describe la naturaleza fundamental del Universo.
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| Concepción artística que ilustra un disco de gas portador de agua que orbita el agujero negro supermasivo en el núcleo de una galaxia distante. Al observar la emisión máser de tales discos, los astrónomos pueden usar la geometría para medir la distancia a las galaxias, un requisito clave para calcular la constante de Hubble. Crédito: Sophia Dagnello, NRAO / AUI / NSF. |
Las nuevas mediciones de distancia permitieron a los astrónomos refinar su cálculo de la Constante de Hubble, la tasa de expansión del Universo, un valor importante para probar el modelo teórico que describe la composición y evolución del Universo. El problema es que las nuevas mediciones exacerban una discrepancia entre los valores medidos previamente de la constante de Hubble y el valor predicho por el modelo cuando se aplica a las mediciones del fondo cósmico de microondas realizado por el satélite Planck.
“Encontramos que las galaxias están más cerca de lo previsto por el modelo estándar de cosmología, corroborando un problema identificado en otros tipos de mediciones de distancia. Se ha debatido si este problema radica en el modelo en sí o en las medidas utilizadas para probarlo. Nuestro trabajo utiliza una técnica de medición de distancia completamente independiente de todas las demás, y reforzamos la disparidad entre los valores medidos y los pronosticados. Es probable que el modelo cosmológico básico involucrado en las predicciones sea el problema ”, dijo James Braatz, del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO).
Braatz lidera el Proyecto de Cosmología Megamaser, un esfuerzo internacional para medir la Constante de Hubble al encontrar galaxias con propiedades específicas que se prestan a producir distancias geométricas precisas. El proyecto ha utilizado el Very Long Baseline Array (VLBA) de la National Science Foundation, el Very Large Array (VLA) de Karl G. Jansky y el Telescopio Robert C. Byrd Green Bank (GBT), junto con el telescopio Effelsberg en Alemania. El equipo informó sus últimos resultados en Astrophysical Journal Letters.
Edwin Hubble, después de que se nombra el telescopio espacial Hubble en órbita, calculó por primera vez la tasa de expansión del universo (la constante de Hubble) en 1929 midiendo las distancias a las galaxias y sus velocidades de recesión. Cuanto más distante es una galaxia, mayor es su velocidad de recesión desde la Tierra. Hoy, la constante de Hubble sigue siendo una propiedad fundamental de la cosmología observacional y un foco de muchos estudios modernos.
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| Esta ilustración muestra un fenómeno conocido como lente gravitacional, que es utilizado por los astrónomos para estudiar galaxias muy distantes y muy débiles. Tenga en cuenta que la escala ha sido muy exagerada en este diagrama. En realidad, la galaxia distante está mucho más lejos y es mucho más pequeña. Las lentes gravitatorias o gravitacionales son racimos de galaxias elípticas cuya gravedad es tan fuerte que doblan la luz de las galaxias detrás de ellas. Esto produce imágenes distorsionadas y a menudo múltiples de la galaxia de fondo. Pero a pesar de esta distorsión, las lentes gravitacionales permiten observaciones grandemente mejoradas mientras la gravedad dobla el camino de la luz hacia el Hubble, el observatorio espacial que estamos usando en estos momentos, amplificando la luz y haciendo observables objetos que de otro modo serían invisibles. Crédito: NASA, ESA y L. Calçada |
La medición de las velocidades de recesión de las galaxias es relativamente sencilla. Sin embargo, determinar las distancias cósmicas ha sido una tarea difícil para los astrónomos. Para los objetos en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, los astrónomos pueden obtener distancias midiendo el cambio aparente en la posición del objeto cuando se ven desde lados opuestos de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, un efecto llamado paralaje. La primera medida de la distancia de paralaje de una estrella se produjo en 1838.
Más allá de nuestra propia galaxia, los paralaje son demasiado pequeños para medir, por lo que los astrónomos han confiado en objetos llamados "velas estándar", llamadas así porque se presume que se conoce su brillo intrínseco. La distancia a un objeto de brillo conocido se puede calcular en función de qué tan oscuro aparece el objeto desde la Tierra. Estas velas estándar incluyen una clase de estrellas llamadas variables Cefeidas y un tipo específico de explosión estelar llamada supernova Tipo Ia.
Otro método para estimar la tasa de expansión consiste en observar quásares distantes cuya luz se dobla por el efecto gravitacional de una galaxia en primer plano en múltiples imágenes. Cuando el quásar varía en brillo, el cambio aparece en las diferentes imágenes en diferentes momentos. Al medir esta diferencia de tiempo, junto con los cálculos de la geometría de la flexión de la luz, se obtiene una estimación de la tasa de expansión.
Las determinaciones de la constante de Hubble basadas en las velas estándar y los cuásares con lentes gravitacionales han producido cifras de 73-74 kilómetros por segundo (la velocidad) por megaparsec (distancia en unidades favorecidas por los astrónomos).
Sin embargo, las predicciones de la constante de Hubble del modelo cosmológico estándar cuando se aplica a las mediciones del fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación sobrante del Big Bang, producen un valor de 67,4, una diferencia significativa y preocupante. Esta diferencia, que según los astrónomos está más allá de los errores experimentales en las observaciones, tiene serias implicaciones para el modelo estándar.
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| VLA Panorama. The Very Large Array (VLA) es una colección de 27 antenas de radio ubicadas en el sitio NRAO en Socorro, Nuevo México. Cada antena en la matriz mide 25 metros (82 pies) de diámetro y pesa alrededor de 230 toneladas. Crédito: Alex Savello. |
El modelo se llama Lambda Cold Dark Matter, o Lambda CDM, donde "Lambda" se refiere a la constante cosmológica de Einstein y es una representación de la energía oscura. El modelo divide la composición del Universo principalmente entre materia ordinaria, materia oscura y energía oscura, y describe cómo ha evolucionado el Universo desde el Big Bang.
El Proyecto de Cosmología Megamaser se enfoca en galaxias con discos de gas molecular que contienen agua que orbitan agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias. Si el disco en órbita se ve casi de borde desde la Tierra, se pueden usar puntos brillantes de emisión de radio, llamados maseros, análogos de radio a láseres de luz visible, para determinar tanto el tamaño físico del disco como su extensión angular y, por lo tanto, a través de la geometría, su distancia. El equipo del proyecto utiliza la colección mundial de radiotelescopios para realizar las mediciones de precisión necesarias para esta técnica.
En su último trabajo, el equipo refinó sus mediciones de distancia a cuatro galaxias, a distancias que van desde 168 millones de años luz a 431 millones de años luz. En combinación con mediciones de distancia anteriores de otras dos galaxias, sus cálculos produjeron un valor para la Constante de Hubble de 73,9 kilómetros por segundo por megaparsec.
“Probar el modelo estándar de cosmología es un problema realmente desafiante que requiere las mejores mediciones de la constante de Hubble. La discrepancia entre los valores predichos y medidos de la constante de Hubble apunta a uno de los problemas más fundamentales en toda la física, por lo que nos gustaría tener mediciones múltiples e independientes que corroboran el problema y prueben el modelo. Nuestro método es geométrico y completamente independiente de todos los demás, y refuerza la discrepancia ", dijo Dom Pesce, investigador del Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian, y autor principal del último artículo.
“El método maser para medir la tasa de expansión del universo es elegante y, a diferencia de los demás, se basa en la geometría. Al medir posiciones y dinámicas extremadamente precisas de puntos máser en el disco de acreción que rodea un agujero negro distante, podemos determinar la distancia a las galaxias anfitrionas y luego la tasa de expansión. Nuestro resultado de esta técnica única fortalece el caso de un problema clave en la cosmología observacional ". dijo Mark Reid del Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian, y miembro del equipo del Proyecto de Cosmología Megamaser.
“Nuestra medición de la constante de Hubble está muy cerca de otras mediciones recientes, y estadísticamente muy diferente de las predicciones basadas en el CMB y el modelo cosmológico estándar. Todo indica que el modelo estándar necesita revisión ”, dijo Braatz.
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| Antena VLBA encima de Mauna Kea. Esta antena del Very Long Baseline Array se encuentra en un volcán extinto conocido como Mauna Kea en Hawai. Los datos de cada uno de los diez radiotelescopios de 25 metros del VLBA se envían al Centro de Operaciones Array en Socorro, Nuevo México, para combinarlos digitalmente. Las antenas se extienden sobre una línea de base de 5.351 millas de largo desde esta antena hasta su hermano idéntico en la isla de St. Croix. |
Los astrónomos tienen varias formas de ajustar el modelo para resolver la discrepancia. Algunos de estos incluyen presunciones cambiantes sobre la naturaleza de la energía oscura, alejándose de la constante cosmológica de Einstein. Otros observan cambios fundamentales en la física de partículas, como cambiar los números o tipos de neutrinos o las posibilidades de interacciones entre ellos. Hay otras posibilidades, incluso más exóticas, y en este momento los científicos no tienen evidencia clara para discriminar entre ellos.
“Este es un caso clásico de la interacción entre observación y teoría. El modelo Lambda CDM ha funcionado bastante bien durante años, pero ahora las observaciones apuntan claramente a un problema que debe resolverse, y parece que el problema recae en el modelo ”, dijo Pesce.
El Observatorio Nacional de Radioastronomía es una instalación de la National Science Foundation, operada bajo un acuerdo cooperativo por universidades asociadas,
C ª.
Contacto con los medios:
Dave Finley
Oficial de Información Pública
(575) 835-7302
Enlaces relacionados:
“El proyecto de cosmología Megamaser. XIII Restricciones constantes combinadas de Hubble ”, DW Pesce, 26 de febrero de 2020, Astrophysical Journal Letters:
• Publicado en NRAO el 11 de junio del 2020, enlace publicación.
