Cuando intentas resolver uno de los mayores enigmas de la cosmología, debes revisar tres veces tu tarea. El rompecabezas, llamado "tensión de Hubble", es que la tasa actual de expansión del universo es más rápida de lo que los astrónomos esperan que sea, según las condiciones iniciales del universo y nuestra comprensión actual de la evolución del universo.
Los científicos que utilizan el Telescopio Espacial Hubble de la NASA y muchos otros telescopios encuentran constantemente un número que no coincide con las predicciones basadas en las observaciones de la misión Planck de la ESA (Agencia Espacial Europea). ¿Resolver esta discrepancia requiere una nueva física? ¿O es el resultado de errores de medición entre los dos métodos diferentes utilizados para determinar la tasa de expansión del espacio?
El Hubble ha estado midiendo la tasa actual de expansión del universo durante 30 años, y los astrónomos quieren eliminar cualquier duda persistente sobre su precisión. Ahora, el Hubble y el telescopio espacial James Webb de la NASA se han unido para producir mediciones definitivas, lo que demuestra que algo más, no los errores de medición, está influyendo en la tasa de expansión.
"Con los errores de medición negados, lo que queda es la posibilidad real y emocionante de que hayamos malinterpretado el universo", dijo Adam Riess, físico de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore. Riess tiene un Premio Nobel por codescubrir el hecho de que la expansión del universo se está acelerando, debido a un misterioso fenómeno ahora llamado "energía oscura".
Como cotejo, 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 la medición pueden crecer y hacerse visibles a medida que miramos más profundamente en el universo. En particular, la aglomeración estelar podría afectar las mediciones de brillo de estrellas más distantes de manera sistemática.
El equipo SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), dirigido por Riess, obtuvo observaciones adicionales con Webb de objetos que son marcadores críticos de hitos cósmicos, conocidos como estrellas variables Cefeidas, que ahora se pueden correlacionar 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 una confianza muy alta", 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.
Los astrónomos utilizan varios métodos para medir distancias relativas en el universo, dependiendo del objeto que se observa. En conjunto, estas técnicas se conocen como la escalera de distancia cósmica: cada peldaño o técnica de medición se basa en el paso anterior para la calibración.
Pero algunos astrónomos sugirieron que, moviéndose hacia afuera a lo largo del "segundo peldaño", la escala de distancias cósmicas podría tambalearse 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 amontonan y se vuelven más difíciles de distinguir entre sí.
El desafío observacional es que las imágenes anteriores del Hubble de estas variables cefeidas más distantes se ven más apiñadas y superpuestas con estrellas vecinas a distancias cada vez más lejanas entre nosotros y sus galaxias anfitrionas, lo que requiere una contabilidad cuidadosa de este efecto. El polvo intermedio complica aún más la certeza 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 da lo mejor de ambos mundos. Descubrimos que las mediciones del Hubble siguen siendo confiables a medida que subimos más a lo largo de la escala de distancias cósmicas", dijo 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 se han medido bien, NGC 5468, a una distancia de 130 millones de años luz. "Esto abarca todo el rango en el que hicimos mediciones con el Hubble. Por lo tanto, hemos llegado al final del segundo peldaño de la escalera de distancias cósmicas", dijo el coautor Gagandeep Anand, del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, que opera los telescopios Webb y Hubble para la NASA.
La confirmación adicional de Hubble y Webb de la tensión del Hubble establece otros observatorios para posiblemente resolver el misterio. El próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA realizará amplios estudios celestes para estudiar la influencia de la energía oscura, la misteriosa energía que está causando que la expansión del universo se acelere. El observatorio Euclid de la ESA, con contribuciones de la NASA, está llevando a cabo una tarea similar.
En la actualidad, es como si la escalera de distancia observada por Hubble y Webb hubiera establecido firmemente un punto de anclaje en una orilla de un río, y el resplandor del Big Bang observado por la medición de Planck desde el comienzo del universo se hubiera establecido firmemente en el otro lado. Todavía no se ha observado directamente cómo cambiaba la expansión del universo en los miles de millones de años entre estos dos extremos. "Necesitamos averiguar si nos estamos perdiendo algo sobre cómo conectar el comienzo del universo y el presente", dijo Riess.
Estos hallazgos se publicaron en la edición del 6 de febrero de 2024 de The Astrophysical Journal Letters.
El Telescopio Espacial Hubble ha estado operando durante más de tres décadas y continúa haciendo descubrimientos innovadores que dan forma a nuestra comprensión fundamental del universo. Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA. El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. Goddard también lleva a cabo operaciones de misión con Lockheed Martin Space en Denver, Colorado. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble y Webb para la NASA.
El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio científico espacial del mundo. Webb está resolviendo misterios en nuestro sistema solar, mirando más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y sondeando las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
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