La imagen especular de la supernova refleja una sorprendente apreciación del crecimiento cósmico.

¿Qué tan rápido se está expandiendo el universo? Depende de a quién le preguntes. Eche un vistazo a las estrellas y galaxias relativamente cercanas que nos rodean en el espacio, y llegará a un cierto número para este valor, conocido como la constante de Hubble. Pero mire al universo más distante y obtendrá un número ligeramente diferente. Esta discrepancia, conocida como la tensión de Hubble, es pequeña pero tiene grandes implicaciones. La tensión podría ser causada simplemente por fallas en nuestras mediciones, o podría señalar brechas fundamentales en nuestra comprensión de la estructura cósmica. Es cierto que, incluso sin ningún tipo de tensión, existen profundos misterios asociados con la tasa de expansión del universo, a saber, el hecho de que está siendo acelerado por la energía oscura, una fuerza aún no explicada de la que no sabemos casi nada. Ahora, una nueva medición de la constante de Hubble, realizada mediante la observación de una imagen especular de una estrella distante en explosión, o supernova, complica aún más las cosas.

en la investigación Publicado hoy en la revista Ciencias, Patrick Kelly de la Universidad de Minnesota y sus colegas utilizaron el tiempo de retraso de una supernova distante conocida como Refsdal para medir la constante de Hubble. Llegaron a una tasa de expansión de 66,6 kilómetros por segundo por millón de parsecs (km/s/Mpc), o 66,6 kilómetros por segundo por 3,26 millones de años luz, con una incertidumbre del 7 por ciento. (Un estudio anterior de la supernova, de 2017 resultado similar pero con mayor incertidumbre estadística.)

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Dadas las incertidumbres asociadas, este número, 66,6 km/s/Mpc, puede ser diferente con otras mediciones basadas en supernovas en el llamado universo local. Estos tienden a producir un valor más alto para la constante de Hubble: alrededor de 73 km/seg/millón de bloques. Sin embargo, 66,6 km/s/Mpc es sorprendentemente similar a las mediciones de la constante de Hubble de fuentes muy distantes en el universo «principio», que dan valores de alrededor de 67 km/s/Mpc. «Nuestra medida coincide mejor con una del fondo cósmico de microondas [CMB]»esencialmente el calor remanente del Big Bang ya que el universo tenía apenas más de 400.000 años de una bola de fuego», dice Kelly. «Aunque es incierto, no excluye la medición de la escala de distancia local».

La constante de Hubble se puede medir de varias maneras. Para el universo local, la mayoría se basan en diferentes velas estándar: ciertos tipos de supernovas y otros objetos astrofísicos que tienen brillos intrínsecos conocidos que rara vez cambian, lo que permite determinar más fácilmente sus distancias y movimientos relativos a nosotros. Las mediciones de múltiples tipos de velas estándar se pueden vincular para permitir a los astrónomos medir la constante de Hubble a mayores distancias, siendo cada vela estándar un «paso» en lo que se conoce como la «escalera de distancia cósmica». Pero la escalera de la distancia cósmica comienza a tambalearse y tropezar a través de distancias verdaderamente vastas. Para medir la constante de Hubble que era dominante en el universo primitivo, los investigadores suelen utilizar la radiación CMB. Las ondas de sonido ondulan a través del plasma ardiente que llenó el universo primitivo en patrones reveladores impresos en el CMB que los astrónomos pueden usar como reglas estándar para trazar la expansión posterior del universo.

En 1964, el astrofísico noruego Sjur Refsdal propuso por primera vez otro método mediante el cual las supernovas podrían usarse para medir la constante de Hubble. Si, en su camino hacia la Tierra, la luz de una supernova distante pasa alrededor del agarre gravitatorio de un cuerpo masivo, como un cúmulo de galaxias, la luz puede «invertirse gravitatoriamente» o torcerse y doblarse para seguir múltiples caminos divergentes hacia la Tierra. , algunos más largos, otros más cortos. El resultado final será una sola supernova que aparecerá varias veces en posiciones ligeramente desplazadas en el cielo, con el retraso entre cada aparición correspondiente a la distancia total que ha viajado su luz. La combinación de estos retrasos y el conocimiento de la rapidez con la que la supernova se aleja de nosotros (obtenida midiendo una propiedad llamada corrimiento al rojo) y la masa del grupo de lentes proporcionará el valor de la constante de Hubble.

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En noviembre de 2014, Kelly y sus colegas de la Universidad de California, Berkeley, detectaron el primer ejemplo conocido de tal evento: la supernova Revsdal, que ocurrió a 14 mil millones de años luz de la Tierra. Predijeron correctamente la llegada de una imagen con lente de la supernova, que llegó a nuestro planeta unos 360 días después, a fines de 2015. Ahora, el equipo finalmente pudo usar Refsdal para medir la tasa de expansión del universo. «Esto no se parece a nada que se haya hecho antes», dice Kelly. Para llegar al valor, el equipo trabajó en grupos que evaluaron de forma independiente los datos cegados y finalmente se establecieron en el resultado inesperado de aproximadamente 66,6 km/s/mcm.

El resultado es una «adición fantástica» a nuestro conocimiento de la constante de Hubble, dice Wendy Friedman, astrónoma de la Universidad de Chicago que se especializa en estudios de la tasa de expansión del universo y no participó en el nuevo artículo. «Es completamente independiente de cualquier otro método».

Los astrónomos han usado la lente para medir la expansión del universo antes, pero con cuásares, los núcleos extremadamente brillantes de ciertas galaxias, en lugar de supernovas. En 2017, un equipo llamado H0LiCOW usó este método para llegar a un valor Cerca de 72 km/seg/millón de bloques. Los cuásares pulidos son «más abundantes» en el cielo, lo que le da a este método algunas ventajas, dice Sherry Soyo, líder de H0LiCOW, del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania. Pero las supernovas muestran cambios más pronunciados en el brillo, lo que significa que el retraso de tiempo exacto de las imágenes se puede medir con mayor precisión, lo que posiblemente produzca un mayor nivel de resolución. «Realmente ves esta diferencia drástica», dice Suyu.

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Pero mientras que los cuásares pueden brillar durante millones de años, esencialmente para nosotros para siempre, las supernovas son de corta duración y brillan intensamente durante solo semanas o meses. «Tienes que ser capaz de encontrarlos temprano», dice Suyu. «Si te lo pierdes, se han ido». Hasta la fecha, solo se conocen unas pocas supernovas de inicio tardío. Lo último, etiquetado esperanza, por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) a principios de este año. Por lo tanto, si bien Refsdal es el primer evento de este tipo que se utiliza para medir la expansión del universo, sin duda no es el último.

Si el valor de Kelly y su equipo se mantiene, esto podría indicar que es posible que debamos ajustar nuestras mejores conjeturas sobre la naturaleza de la materia oscura, el material misterioso e invisible que parece dar a las galaxias y los cúmulos de galaxias la mayor parte de su masa y, por lo tanto, modular la lente gravitacional. Si es cierto, su resultado «es indicativo de una falla en nuestros modelos de materia oscura en los cúmulos de galaxias», dice Kelly. La actualización de estos modelos podría hacer cambios a lo que se llama el Modelo Estándar de cosmología, que postula que cierta forma «fría» e inerte de materia oscura y cierto tipo de energía oscura trabajan juntas para dirigir el crecimiento y la evolución de galaxias y cúmulos a través de fenómenos cósmicos. tiempo.

«Todavía no entendemos qué son la materia oscura y la energía oscura», dice Friedman. «Medir la constante de Hubble localmente es una forma de probar este modelo directamente. Si esto muestra que falta una parte clave de la física en el modelo estándar, sería muy emocionante».

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Sin embargo, no todos están convencidos todavía de que tales cambios cósmicos en el mar nos estén esperando. La incertidumbre del 7 por ciento todavía es lo suficientemente grande en los márgenes como para ubicarla dentro de los límites de otros resultados locales, dice Daniel Skolnick de la Universidad de Duke. «Si tuvieran muchas menos dudas, todo el mundo debería mirarse muy de cerca en el espejo en este momento», dice Skolnick, que no participó en el estudio. «Esto sería realmente desconcertante porque todas las medidas locales parecen coincidir en valores más altos».

Para saberlo con certeza, será necesario estudiar más supernovas tardías, y deberá verificar sus valores en la constante de Hubble. Dichos resultados podrían surgir más temprano que tarde: se espera una medición de H0pe de JWST en los próximos meses, y el próximo Observatorio Vera Rubin en Chile, programado para operar el próximo año, debería aumentar significativamente la cantidad de supernovas conocidas con retraso en el tiempo. «Encontraremos más de ella», dice Kelly. Si todos están a favor de un valor más bajo para la constante de Hubble, eso solo reforzaría la controversia. Ojalá podamos averiguar dónde está el problema».

Nota del editor (11/05/23): Este artículo fue editado después de la publicación para aclarar el comentario de Patrick Kelly de que la medición de su equipo concordaba mejor con la del fondo cósmico de microondas. El texto se revisó previamente el 11 de mayo para corregir una incertidumbre en el resultado de 66,6 kilómetros por segundo por millón de parsecs y para explicar mejor las posibles discrepancias con mediciones anteriores.