Observaciones con Webb confirman un desafío a la teoría cósmica

Nuevas observaciones con el telescopio espacial James Webb ofrecen una verificación crucial para abordar la discrepancia en las mediciones de la misteriosa expansión del universo.

La investigación, publicada en 'The Astrophysical Journal', sugiere que una nueva característica del universo (no un fallo en las mediciones del telescopio) puede estar detrás del misterio de una década sobre por qué el universo se expande más rápido hoy que en su infancia hace miles de millones de años. Los nuevos datos confirman las mediciones del telescopio espacial Hubble de las distancias entre estrellas y galaxias cercanas.

Conocida como la tensión de Hubble, la discrepancia sigue sin explicación incluso para los mejores modelos cosmológicos.

La investigación se basa en el descubrimiento de Adam Riess, ganador del Premio Nobel y profesor de Física y Astronomía en la Universidad Johns Hopkins, de que la expansión del universo se está acelerando debido a una misteriosa "energía oscura" que permea vastas extensiones de espacio entre las estrellas y las galaxias.

Tal y como explica el autor en un comunicado: "La discrepancia entre la tasa de expansión observada del universo y las predicciones del modelo estándar sugiere que nuestra comprensión del universo puede ser incompleta. Ahora que dos telescopios insignia de la NASA confirman mutuamente sus hallazgos, debemos tomarnos muy en serio este problema [de la tensión del Hubble]: es un desafío, pero también una oportunidad increíble para aprender más sobre nuestro universo".

El equipo de Riess utilizó la muestra más grande de datos del Webb recopilados durante sus primeros dos años en el espacio para verificar la medida del telescopio Hubble de la tasa de expansión del universo, un número conocido como la constante de Hubble. Utilizaron tres métodos diferentes para medir las distancias a las galaxias que albergaban supernovas, centrándose en distancias previamente medidas por el telescopio Hubble y que se sabe que producen las mediciones "locales" más precisas de este número. Las observaciones de ambos telescopios se alinearon estrechamente, lo que reveló que las mediciones del Hubble son precisas y descartó una inexactitud lo suficientemente grande como para atribuir la tensión a un error del Hubble.

Aun así, la constante de Hubble sigue siendo un enigma porque las mediciones basadas en observaciones telescópicas del universo actual producen valores más altos en comparación con las proyecciones realizadas utilizando el "modelo estándar de cosmología", un marco ampliamente aceptado de cómo funciona el universo calibrado con datos del fondo cósmico de microondas, la débil radiación que quedó del big bang.

Mientras que el modelo estándar arroja una constante de Hubble de unos 67-68 kilómetros por segundo por megaparsec, las mediciones basadas en observaciones con telescopios arrojan regularmente un valor superior, de 70 a 76, con una media de 73 km/s/Mpc. Este desajuste ha desconcertado a los cosmólogos durante más de una década porque una diferencia de 5-6 km/s/Mpc es demasiado grande para ser explicada simplemente por fallos en la técnica de medición o de observación. (Los megaparsecs son distancias enormes. Cada uno equivale a 3,26 millones de años luz, y un año luz es la distancia que recorre la luz en un año: 9,4 billones de kilómetros).

Dado que los nuevos datos de Webb descartan sesgos significativos en las mediciones del Hubble, la tensión del Hubble puede deberse a factores desconocidos o lagunas en la comprensión de la física por parte de los cosmólogos aún por descubrir, informa el equipo de Riess.

"Los datos del Webb son como mirar el universo en alta definición por primera vez y realmente mejoran la relación señal-ruido de las mediciones", comenta Siyang Li, un estudiante de posgrado que trabaja en la Universidad Johns Hopkins en el estudio.

El nuevo estudio cubrió aproximadamente un tercio de la muestra completa de galaxias del Hubble, utilizando como punto de referencia la distancia conocida a una galaxia llamada NGC 4258. A pesar de que el conjunto de datos era más pequeño, el equipo logró una precisión impresionante, mostrando diferencias entre las mediciones de menos del 2 %, mucho más pequeñas que el tamaño aproximado del 8-9 % de la discrepancia de tensión del Hubble.

Además de su análisis de estrellas pulsantes llamadas variables Cefeidas, el estándar de oro para medir distancias cósmicas, el equipo comparó mediciones basadas en estrellas ricas en carbono y las gigantes rojas más brillantes en las mismas galaxias. Todas las galaxias observadas por el Webb junto con sus supernovas arrojaron una constante de Hubble de 72,6 km/s/Mpc, casi idéntica al valor de 72,8 km/s/Mpc encontrado por el Hubble para las mismas galaxias.

El estudio incluyó muestras de datos del Webb de dos grupos que trabajan independientemente para refinar la constante de Hubble, uno del equipo SH0ES de Riess (Supernova, H 0 , para la ecuación de estado de la energía oscura) y otro del Programa Hubble de Carnegie-Chicago, así como de otros equipos. Las mediciones combinadas permiten determinar con mayor precisión hasta el momento la exactitud de las distancias medidas con las estrellas cefeidas del telescopio Hubble, que son fundamentales para determinar la constante de Hubble.

Aunque la constante de Hubble no tiene un efecto práctico sobre el sistema solar, la Tierra o la vida cotidiana, revela la evolución del universo a escalas extremadamente grandes, con vastas áreas del espacio que se estiran y empujan a las galaxias distantes alejándose unas de otras como pasas en una masa fermentada. Es un valor clave que los científicos utilizan para cartografiar la estructura del universo, profundizar su comprensión de su estado 13-14 mil millones de años después del Big Bang y calcular otros aspectos fundamentales del cosmos.

Resolver la tensión de Hubble podría revelar nuevos conocimientos sobre más discrepancias con el modelo cosmológico estándar que han salido a la luz en los últimos años, dijo Marc Kamionkowski , un cosmólogo de Johns Hopkins que ayudó a calcular la constante de Hubble y recientemente ayudó a desarrollar una posible nueva explicación para la tensión.

El modelo estándar explica la evolución de las galaxias, el fondo cósmico de microondas del Big Bang, la abundancia de elementos químicos en el universo y muchas otras observaciones clave basadas en las leyes conocidas de la física. Sin embargo, no explica por completo la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, componentes misteriosos del universo que se estima que son responsables del 96% de su composición y de su expansión acelerada.

"Una posible explicación de la tensión de Hubble sería que faltara algo en nuestra comprensión del universo primitivo, como un nuevo componente de la materia (la energía oscura primitiva) que le dio al universo un impulso inesperado después del Big Bang", apunta Kamionkowski, que no participó en el nuevo estudio. "Y hay otras ideas, como las extrañas propiedades de la materia oscura, partículas exóticas, masas electrónicas cambiantes o campos magnéticos primordiales que podrían funcionar. Los teóricos tienen licencia para ser bastante creativos".