Webb y Hubble concuerdan en la tasa de expansión del Universo

El telescopio espacial Webb ha confirmado que su aún activo antecesor, el Hubble, estuvo en lo cierto en relación a sus mediciones sobre el ritmo al que se expande el Universo. El ritmo al que se expande el Universo, conocido precisamente 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.

Medición del universo

Una de las justificaciones científicas para construir el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA fue utilizar su poder de observación para proporcionar un valor exacto de la tasa de expansión del Universo. Antes del lanzamiento del Hubble en 1990, las observaciones realizadas desde telescopios terrestres arrojaban enormes incertidumbres. Dependiendo de los valores deducidos para la tasa de expansión, el Universo podría tener entre 10 y 20 mil millones de años.

Durante los últimos 34 años, Hubble ha reducido esta medición a una precisión de menos del uno por ciento, dividiendo la diferencia con un valor de edad de 13.800 millones de años. Esto se ha logrado refinando la llamada "escalera de distancias cósmicas" midiendo importantes hitos conocidos como estrellas variables cefeidas.

Sin embargo, el valor de Hubble no concuerda con otras mediciones que implican que el Universo se estaba expandiendo más rápido después del Big Bang. Estas observaciones fueron realizadas mediante el mapeo del satélite Planck de la ESA de la radiación cósmica de fondo de microondas, un modelo de cómo evolucionaría la estructura del Universo después de que se enfriara debido al Big Bang.

La solución sencilla al dilema sería decir que tal vez las observaciones del Hubble sean erróneas, como resultado de cierta inexactitud en sus mediciones de los criterios del espacio profundo. Luego apareció el Telescopio Espacial James Webb, que permitió a los astrónomos verificar los resultados del Hubble. Las vistas infrarrojas de Webb de las cefeidas coincidían con los datos de luz óptica del Hubble. Webb confirmó que el buen ojo del telescopio Hubble estuvo en lo cierto todo el tiempo, borrando cualquier duda persistente sobre las mediciones del Hubble.

Complicaciones y estimaciones

La conclusión es que la llamada tensión de Hubble entre lo que sucede en el Universo cercano y la expansión del Universo temprano sigue siendo un enigma persistente para los cosmólogos. Puede que haya algo entretejido en el tejido del espacio que aún no entendemos.

¿Resolver esta discrepancia requiere nueva física? ¿O es resultado de errores de medición entre los dos métodos diferentes utilizados para determinar la tasa de expansión del espacio?

Hubble y Webb ahora se han asociado para producir mediciones definitivas, lo que refuerza el argumento de que algo más, no errores de medición, está influyendo en la tasa de expansión.

"Una vez negados los errores de medición, lo que queda es la posibilidad real y apasionante de que hayamos entendido mal el Universo", dijo en un comunicado Adam Riess, físico de la Universidad Johns Hopkins y Premio Nobel por co-descubrir el hecho de que la expansión del Universo se está acelerando debido a un misterioso fenómeno ahora llamado "energía oscura".

Como verificación cruzada, una observación inicial de Webb en 2023 confirmó que las mediciones del Hubble del Universo en expansión eran precisas. Sin embargo, con la esperanza de aliviar la tensión del Hubble, algunos científicos especularon que los errores invisibles en las mediciones pueden aumentar y hacerse visibles a medida que miramos más profundamente en el Universo. En particular, el apiñamiento estelar podría afectar a las mediciones de brillo de estrellas más distantes de forma sistemática.

El equipo SH0ES (Supernova H0 para la ecuación de estado de la energía oscura), dirigido por Reiss, obtuvo observaciones adicionales con Webb de objetos que son marcadores críticos de hitos cósmicos, conocidos como estrellas variables cefeidas, que ahora pueden correlacionarse con los datos del Hubble.

"Ahora hemos abarcado todo el rango de lo que observó el Hubble y podemos descartar un error de medición como la causa de la tensión del Hubble con muy alta confianza", dijo Riess.

Las primeras observaciones de Webb del equipo en 2023 lograron demostrar que el Hubble estaba en el camino correcto para establecer firmemente la fidelidad de los primeros peldaños de la llamada escalera de distancias cósmicas.

Diferentes técnicas de medición

Los astrónomos utilizan varios métodos para medir distancias relativas en el Universo, según el objeto que se observa. En conjunto, estas técnicas se conocen como la escalera de distancias cósmicas: cada peldaño o técnica de medición se basa en el paso anterior para la calibración.

Pero algunos astrónomos sugirieron que, al avanzar a lo largo del "segundo peldaño", la escala de distancias cósmicas podría volverse inestable si las mediciones de las Cefeidas se vuelven menos precisas con la distancia. Tales imprecisiones podrían ocurrir porque la luz de una cefeida podría mezclarse con la de una estrella adyacente, un efecto que podría volverse más pronunciado con la distancia a medida que las estrellas se apiñan en el cielo y se vuelven más difíciles de distinguir unas de otras.

El desafío observacional es que las imágenes anteriores del Hubble de estas variables Cefeidas más distantes parecen más apiñadas y superpuestas con estrellas vecinas a distancias cada vez mayores entre nosotros y sus galaxias anfitrionas, lo que requiere una cuidadosa explicación de este efecto. La presencia de polvo complica aún más la seguridad de las mediciones en luz visible. Webb corta el polvo y aísla naturalmente las Cefeidas de las estrellas vecinas porque su visión es más nítida que la del Hubble en longitudes de onda infrarrojas.

"La combinación de Webb y Hubble nos ofrece lo mejor de ambos mundos. Descubrimos que las mediciones del Hubble siguen siendo fiables a medida que avanzamos en la escala de distancias cósmicas", afirmó Riess.

Las nuevas observaciones de Webb incluyen cinco galaxias anfitrionas de ocho supernovas de Tipo Ia que contienen un total de 1.000 Cefeidas y llegan a la galaxia más lejana donde las Cefeidas han sido bien medidas: NGC 5468, a una distancia de 130 millones de años luz.

"Esto abarca todo el rango en el que hicimos mediciones con el Hubble. Así que hemos llegado al final del segundo peldaño de la escala de distancias cósmicas", dijo el coautor Gagandeep Anand del Space Telescope Science Institute en Baltimore, que opera los telescopios Webb y Hubble para la NASA.

Juntos, la confirmación de la tensión del Hubble por parte de Hubble y Webb establece otros observatorios para posiblemente resolver el misterio, incluido el próximo Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA y la misión Euclid recientemente lanzada por la ESA.

Actualmente, es como si la escala de distancias observada por Hubble y Webb hubiera fijado firmemente un punto de anclaje en la orilla de un río, y el resplandor del Big Bang observado por Planck desde el comienzo del universo estuviera firmemente fijado en el otro lado. Aún no se ha observado directamente cómo fue cambiando la expansión del universo en los miles de millones de años transcurridos entre estos dos puntos finales.

"Necesitamos descubrir si nos falta algo sobre cómo conectar el comienzo del universo con el presente", afirma Riess.

Estos hallazgos se publicaron en la edición del 6 de febrero de 2024 de The Astrophysical Journal Letters.