Webb confirma la precisión de la tasa de expansión del universo medida por el Hubble y profundiza el misterio de la tensión constante del Hubble

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 "tensión de Hubble" entre el valor de la constante medida con una amplia gama de indicadores de distancia independientes y su valor predicho a partir del resplandor del Big Bang.

Las observaciones combinadas de la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de la NASA y la WFC3 (cámara de campo amplio 3) del Hubble muestran la galaxia espiral NGC 5584, que se encuentra a 72 millones de años luz de la Tierra. Entre las estrellas brillantes de NGC 5584 se encuentran estrellas pulsantes llamadas variables Cefeidas y supernovas de Tipo Ia, una clase especial de estrellas en explosión. Los astrónomos utilizan variables cefeidas y supernovas de tipo Ia como marcadores de distancia fiables para medir la tasa de expansión del universo. Créditos Imagen: NASA, ESA, CSA, Adam G. Riess (JHU, STScI) Procesamiento de imágenes Alyssa Pagan (STScI)

El Telescopio Espacial James Webb de la NASA proporciona nuevas capacidades para examinar y refinar 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.

“¿Alguna vez te costó ver una señal que estaba en el borde de tu visión? ¿Qué dice? ¿Qué significa? Incluso con los telescopios más potentes, las "señales" que los astrónomos quieren leer parecen tan pequeñas que nosotros también luchamos.

“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 distantes. El brillo de ciertas estrellas en esas galaxias nos dice qué tan lejos están y, por lo tanto, durante cuánto tiempo ha estado viajando esta luz para llegar a nosotros, y los corrimientos al rojo de las galaxias nos dicen cuánto se expandió el universo durante ese tiempo, por lo tanto nos dicen la tasa de expansión.

“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. Es más, pulsan (es decir, se expanden y contraen en tamaño) durante un período de semanas, lo que indica su luminosidad relativa. Cuanto más largo es el período, más brillantes son intrínsecamente. Son la herramienta de referencia para medir las distancias de galaxias a cien millones o más de años luz de distancia, un paso crucial para determinar la constante de Hubble. Desafortunadamente, las estrellas de las galaxias están apiñadas en un espacio pequeño desde nuestro punto de vista distante y, por lo tanto, a menudo carecemos de la resolución para separarlas de sus vecinas en la línea de visión.

“Una de las principales justificaciones para construir el Telescopio Espacial Hubble fue resolver este problema. Antes del lanzamiento del Hubble en 1990 y sus posteriores mediciones de las Cefeidas, la tasa de expansión del universo era tan incierta que los astrónomos no estaban seguros de si el universo se había estado expandiendo durante 10 mil millones o 20 mil millones de años. Esto se debe a que una tasa de expansión más rápida conducirá a una edad más joven del universo, y una tasa de expansión más lenta conducirá a una edad más avanzada del universo. Hubble tiene mejor resolución de longitud de onda visible que cualquier telescopio terrestre porque se encuentra por encima de los efectos borrosos de la atmósfera terrestre. Como resultado, puede identificar variables cefeidas individuales en galaxias que se encuentran a más de cien millones de años luz de distancia y medir el intervalo de tiempo durante el cual cambian su brillo.

Este diagrama ilustra el poder combinado de los telescopios espaciales Hubble y Webb para determinar distancias precisas a una clase especial de estrella variable que se utiliza para calibrar la tasa de expansión del universo. Estas estrellas variables cefeidas se ven 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 ve en el lado derecho del diagrama. Los datos de Webb confirman la precisión de 30 años de observaciones del Hubble de las cefeidas que fueron críticas para establecer el peldaño inferior de la escala de distancias cósmicas para medir la tasa de expansión del universo. A la izquierda, NGC 5584se ve en una imagen compuesta de la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de Webb y la cámara de campo amplio 3 del Hubble. Lee la historia. Créditos Ciencia NASA, ESA, CSA, Adam G. Riess (JHU, STScI) Ilustración Joyce Kang (STScI)

“Sin embargo, también debemos observar las Cefeidas en la parte del infrarrojo cercano del espectro para ver la luz que pasa ilesa a través del polvo intermedio. (El polvo absorbe y dispersa la luz óptica azul, haciendo que los objetos distantes parezcan débiles y engañándonos haciéndonos creer que están más lejos de lo que están). Desafortunadamente, la visión de la luz roja del Hubble no es tan nítida como 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 contabilizar la cantidad promedio 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 al hacerlo agrega ruido a las mediciones. La ropa de algunas personas es más pesada que la de otras.

“Sin embargo, la visión infrarroja nítida es uno de los superpoderes del Telescopio Espacial James Webb. Con su gran espejo y su óptica sensible, puede separar fácilmente la luz de las Cefeidas de las estrellas vecinas con poca mezcla. En el primer año de operaciones de Webb con nuestro programa de Observadores Generales 1685 , recopilamos observaciones de Cefeidas encontradas por Hubble en dos pasos a lo largo de lo que se conoce como la escalera de distancias cósmicas. El primer paso consiste en observar las Cefeidas en una galaxia con una distancia geométrica conocida que nos permite calibrar la verdadera luminosidad de las Cefeidas. Para nuestro programa esa galaxia es NGC 4258 . El segundo paso es observar cefeidas en las galaxias anfitrionas de supernovas recientes de Tipo Ia. La combinación de los dos primeros pasos transfiere conocimiento de la distancia a las supernovas para calibrar sus verdaderas luminosidades. El tercer paso es observar aquellas supernovas lejanas donde la expansión del universo es evidente y puede medirse comparando las distancias inferidas de su brillo y los corrimientos al rojo de las galaxias anfitrionas de supernovas. Esta secuencia de pasos se conoce como escalera de distancias.

“Recientemente obtuvimos nuestras primeras mediciones de Webb de los pasos uno y dos, lo que nos permite completar la escala de distancias y compararlas con las mediciones anteriores con el Hubble (ver figura). Las mediciones de Webb han reducido drásticamente el ruido en las mediciones de Cefeidas debido a la resolución del observatorio en longitudes de onda del infrarrojo cercano. ¡Este tipo de mejora es con lo que sueñan los astrónomos! Observamos más de 320 cefeidas en los dos primeros pasos. Confirmamos que las mediciones anteriores del Telescopio Espacial Hubble eran precisas, aunque más ruidosas. También hemos observado cuatro anfitriones de supernovas más con Webb y vemos 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 sellos de imágenes 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 de imagen: NASA, ESA, A. Riess (STScI) y G. Anand (STScI).

“¡Lo que los resultados aún no explican es por qué el universo parece expandirse tan rápido! Podemos predecir la tasa de expansión del universo observando su imagen inicial, el fondo cósmico de microondas , y luego empleando nuestro mejor modelo de cómo crece 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 exceda significativamente la predicción es un problema que lleva ya una década llamado "La tensión de Hubble". La posibilidad más interesante es que la Tensión sea una pista sobre algo que nos falta en nuestra comprensión del cosmos.

“Puede indicar la presencia de energía oscura exótica, materia oscura exótica, una revisión de nuestra comprensión de la gravedad o la presencia de una partícula o campo único. La explicación más mundana sería que múltiples errores de medición conspiran en la misma dirección (los astrónomos han descartado un solo error usando pasos independientes), por eso es tan importante rehacer las mediciones con mayor fidelidad. Con Webb confirmando las mediciones del Hubble, las mediciones de Webb proporcionan la evidencia más sólida hasta el momento de que los errores sistemáticos en la fotometría de Cefeidas del Hubble no juegan un papel significativo en la actual tensión del Hubble. Como resultado, las posibilidades más interesantes siguen sobre la mesa y el misterio de la Tensión se profundiza”.

Nota del editor: esta publicación destaca datos de un artículo que fue aceptado por The Astrophysical Journal.

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 2011 . en Física.

Publicado en NASA el 12 de septiembre del 2023, enlace publicación.