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| La velocidad a la que se expande el universo, conocida 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 denominada "tensión de Hubble" entre el valor de la constante medido con una amplia gama de indicadores de distancia independientes y su valor predicho a partir del resplandor posterior al Big Bang. Las observaciones combinadas de la NIRCam (Near-Infrared Camera) de la NASA y la WFC3 (Wide Field Camera 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 hay estrellas pulsantes llamadas variables Cefeidas y supernovas de tipo Ia, una clase especial de estrellas en explosión. Los astrónomos utilizan las variables cefeidas y las supernovas de tipo Ia como marcadores de distancia fiables para medir el ritmo de expansión del universo. Créditos: NASA, ESA, CSA y A. Riess (STScI). |
El Universo que nos rodea puede parecer inmutable, pero en realidad todo lo que vemos se aleja a una velocidad tremenda conocida como la Constante de Hubble, o H0. No está clara la velocidad exacta de H0, porque las distintas formas de medirla arrojan resultados diferentes.
Es necesaria una solución, ya que la "Tensión de Hubble" es muy significativa en varios indicadores de distancia locales e independientes y en experimentos que detectan el Fondo Cósmico de Microondas (CMB). El telescopio espacial James Webb (JWST) ofrece nuevas herramientas para examinar y mejorar algunos de los datos empíricos más convincentes que apoyan esta Tensión.
El premio Nobel Adam Riess, de la Universidad Johns Hopkins y del Instituto Científico del Telescopio Espacial, presenta su reciente trabajo y el de sus colegas utilizando las observaciones del Webb para mejorar la precisión de las mediciones locales de la constante de Hubble.
La constante de Hubble, que indica el ritmo de expansión del Universo, es la señal que buscan los cosmólogos. Las estrellas de galaxias lejanas pueden contener esta firma. Los corrimientos al rojo de las galaxias indican cuánto se ha expandido el Universo a lo largo de ese tiempo, lo que revela el ritmo de expansión, y los brillos de estrellas concretas de esas galaxias indican a qué distancia se encuentran y, por tanto, durante cuánto tiempo ha viajado esa luz para llegar hasta nosotros.
Desde hace más de un siglo, las variables cefeidas, una clase de estrellas extremadamente brillantes, nos proporcionan las mediciones de distancia más precisas: Son estrellas supergigantes con un brillo 100.000 veces superior al del Sol.
Son el instrumento de referencia para determinar la constante de Hubble, ya que pueden medir la distancia de galaxias situadas a 100 millones de años luz o más. Desgraciadamente, desde nuestro lejano punto de vista, las estrellas de las galaxias están apiñadas en un área estrecha, y a menudo necesitamos más resolución para distinguirlas de sus vecinas en la línea de visión.
Según Riess, "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 10.000 o 20.000 millones de años. Esto se debe a que una tasa de expansión más rápida conduce a una edad más joven del Universo, y una más lenta conduce a una edad más antigua del Universo."
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| Este diagrama ilustra la potencia combinada de los telescopios espaciales Hubble y Webb de la NASA para determinar distancias precisas a una clase especial de estrella variable que se utiliza para calibrar el ritmo de expansión del universo. Estas estrellas variables cefeidas se observan en campos estelares muy poblados. 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 la parte derecha del diagrama. Los datos del Webb confirman la precisión de los 30 años de observaciones de las Cefeidas realizadas por el Hubble, que fueron fundamentales para establecer el peldaño inferior de la escala de distancias cósmicas para medir la velocidad de expansión del universo. A la izquierda, NGC 5584 en una imagen compuesta de la NIRCam (Near-Infrared Camera) del Webb y la Wide Field Camera 3 del Hubble. Créditos: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI). |
"El Hubble tiene mejor resolución en longitud de onda visible que cualquier telescopio terrestre porque se sitúa por encima de los efectos borrosos de la atmósfera terrestre. Como resultado, puede identificar variables Cefeidas individuales en galaxias que están a más de cien millones de años luz de distancia y medir el intervalo de tiempo durante el cual cambian su brillo."
"Sin embargo, también debemos observar las Cefeidas en la parte infrarroja cercana del espectro para ver la luz que pasa indemne 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). Desgraciadamente, 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 se mezcla con la de otras estrellas de su campo de visión. Podemos calcular estadísticamente la cantidad media de mezcla, del mismo modo que un médico calcula el peso restando el peso medio de la ropa de la lectura de la báscula, pero al hacerlo se añade ruido a las mediciones. La ropa de algunas personas pesa más que la de otras".
Sin embargo, uno de los superpoderes del telescopio espacial James Webb es su capacidad para ver con claridad en el infrarrojo. Puede aislar fácilmente y con poca mezcla la luz de las Cefeidas de las estrellas cercanas gracias a su amplio espejo y a su sensible óptica. Con el programa de Observadores Generales 1685, los científicos reunieron observaciones de las Cefeidas descubiertas por el Hubble en dos niveles a lo largo de la llamada escalera de distancias cósmicas durante el primer año de operaciones del Webb. Para calibrar la luminosidad real de las Cefeidas, los científicos deben observarlas primero en una galaxia con una distancia geométrica conocida. El nombre de esta galaxia para el programa es NGC 4258. La segunda fase consiste en observar cefeidas en las galaxias anfitrionas de supernovas de tipo Ia recientemente activas.
Riess declaró: "Recientemente hemos obtenido nuestras primeras mediciones con Webb de los pasos uno y dos, lo que nos permite completar la escala de distancias y compararla con las mediciones anteriores con Hubble (véase la figura). Las mediciones de Webb han reducido drásticamente el ruido en las mediciones de las Cefeidas gracias a la resolución del observatorio en longitudes de onda del infrarrojo cercano. Los astrónomos sueñan con este tipo de mejoras. Hemos observado más de 320 Cefeidas en las dos primeras etapas. Hemos confirmado que las mediciones anteriores del telescopio espacial Hubble eran precisas, aunque más ruidosas. También hemos observado otros cuatro anfitriones de supernovas con Webb, y vemos un resultado similar para toda la muestra."
"¡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 bebé y el fondo cósmico de microondas, y luego emplear nuestro mejor modelo de cómo crece con el tiempo para decirnos a qué velocidad debería estar expandiéndose el Universo hoy en día. El hecho de que la medida actual de la tasa de expansión exceda significativamente la predicción es un problema de una década llamado "La Tensión de Hubble". La posibilidad más emocionante es que la Tensión sea una pista sobre algo que nos falta en nuestra comprensión del cosmos".
Podría apuntar a una energía o materia oscura inusual, a un cambio en nuestra concepción de la gravedad o a una partícula o campo especial". Repetir las mediciones con mayor precisión es crucial porque la explicación más común sería que muchos errores de medición trabajaran juntos (los astrónomos han descartado un único error utilizando etapas independientes). Las observaciones del Webb proporcionan la prueba más sólida de que los errores sistemáticos en la fotometría de las Cefeidas del Hubble no afectan significativamente a la Tensión de Hubble actual, ya que el Webb verifica las mediciones del Hubble. Las alternativas más intrigantes siguen siendo una posibilidad, y el misterio que rodea a la Tensión crece.
Fuentes, créditos y referencias: