Los astrofísicos han realizado un nuevo y poderoso análisis que establece los límites más precisos hasta ahora sobre la composición y evolución del universo. Con este análisis, denominado Pantheon+, los cosmólogos se encuentran en una encrucijada.
Pantheon+ encuentra de manera convincente que el cosmos está compuesto por aproximadamente dos tercios de energía oscura y un tercio de materia, principalmente en forma de materia oscura, y se está expandiendo a un ritmo acelerado durante los últimos miles de millones de años. Sin embargo, Pantheon+ también consolida un gran desacuerdo sobre el ritmo de esa expansión que aún no se ha resuelto.
Al colocar las teorías cosmológicas modernas prevalecientes, conocidas como el modelo estándar de cosmología, sobre una base probatoria y estadística aún más firme, Pantheon+ cierra aún más la puerta a marcos alternativos que explican la energía oscura y la materia oscura. Ambos son los cimientos del Modelo Estándar de Cosmología, pero aún no se han detectado directamente y se encuentran entre los mayores misterios del modelo. Siguiendo los resultados de Pantheon+, los investigadores ahora pueden realizar pruebas de observación más precisas y perfeccionar las explicaciones del cosmos aparente.
“Con estos resultados de Pantheon+, podemos establecer las restricciones más precisas sobre la dinámica y la historia del universo hasta la fecha”, dice Dillon Brout, miembro de Einstein en el Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian. “Hemos revisado los datos y ahora podemos decir con más confianza que nunca cómo ha evolucionado el universo a lo largo de los eones y que las mejores teorías actuales sobre la energía oscura y la materia oscura se mantienen sólidas”.
Brout es el autor principal de una serie de artículos que describen el nuevo análisis de Pantheon+, publicados conjuntamente hoy en una edición especial de The Astrophysical Journal.
Pantheon+ se basa en el conjunto de datos más grande de su tipo, que comprende más de 1500 explosiones estelares llamadas supernovas de tipo Ia. Estas explosiones brillantes ocurren cuando las estrellas enanas blancas, remanentes de estrellas como nuestro Sol, acumulan demasiada masa y experimentan una reacción termonuclear desbocada.
Debido a que las supernovas de Tipo Ia eclipsan a galaxias enteras, las detonaciones estelares se pueden vislumbrar a distancias que superan los 10.000 millones de años luz, o aproximadamente tres cuartas partes de la edad total del universo. Dado que las supernovas brillan con brillos intrínsecos casi uniformes, los científicos pueden usar el brillo aparente de las explosiones, que disminuye con la distancia, junto con las mediciones del corrimiento al rojo como marcadores de tiempo y espacio.
Esa información, a su vez, revela qué tan rápido se expande el universo durante diferentes épocas, que luego se usa para probar teorías de los componentes fundamentales del universo.
El gran descubrimiento en 1998 del crecimiento acelerado del universo fue gracias a un estudio de las supernovas de Tipo Ia de esta manera. Los científicos atribuyen la expansión a una energía invisible, por lo tanto denominada energía oscura, inherente a la estructura del universo mismo. Las décadas posteriores de trabajo continuaron recopilando conjuntos de datos cada vez más grandes, revelando supernovas en un rango de espacio y tiempo aún más amplio, y Pantheon+ ahora los ha reunido en el análisis estadísticamente más sólido hasta la fecha.
“En muchos sentidos, este último análisis de Pantheon+ es la culminación de más de dos décadas de esfuerzos diligentes por parte de observadores y teóricos de todo el mundo para descifrar la esencia del cosmos”, dice Adam Riess, uno de los ganadores del Premio Nobel 2011 en Física para el descubrimiento de la expansión acelerada del universo y Profesor Distinguido Bloomberg en la Universidad Johns Hopkins (JHU) y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland. Riess también es alumno de la Universidad de Harvard y tiene un doctorado. en astrofísica.
La propia carrera de Brout en cosmología se remonta a sus años de estudiante en JHU, donde Riess le enseñó y aconsejó. Allí, Brout trabajó con el entonces estudiante de doctorado y asesor de Riess, Dan Scolnic, quien ahora es profesor asistente de física en la Universidad de Duke y otro coautor de la nueva serie de artículos.
Hace varios años, Scolnic desarrolló el análisis Pantheon original de aproximadamente 1000 supernovas.
Ahora, Brout y Scolnic y su nuevo equipo Pantheon+ han agregado alrededor de un 50 por ciento más de puntos de datos de supernovas en Pantheon+, junto con mejoras en las técnicas de análisis y abordando posibles fuentes de error, lo que finalmente ha producido el doble de precisión que el Pantheon original.
“Este salto tanto en la calidad del conjunto de datos como en nuestra comprensión de la física que lo sustenta no habría sido posible sin un equipo estelar de estudiantes y colaboradores que trabajaron diligentemente para mejorar cada faceta del análisis”, dice Brout.
Tomando los datos en su conjunto, el nuevo análisis sostiene que el 66,2 por ciento del universo se manifiesta como energía oscura, siendo el 33,8 por ciento restante una combinación de materia oscura y materia.
Para llegar a una comprensión aún más completa de los componentes constituyentes del universo en diferentes épocas, Brout y sus colegas combinaron Pantheon+ con otras medidas complementarias, independientes y fuertemente evidenciadas de la estructura a gran escala del universo y con medidas de la luz más temprana en el universo, el fondo cósmico de microondas.
Otro resultado clave de Pantheon+ se relaciona con uno de los objetivos primordiales de la cosmología moderna: determinar la tasa de expansión actual del universo, conocida como la constante de Hubble. La combinación de la muestra Pantheon+ con datos de la colaboración SH0ES (Supernova H0 para la ecuación de estado), dirigida por Riess, da como resultado la medición local más estricta de la tasa de expansión actual del universo.
Pantheon+ y SH0ES juntos encuentran una constante de Hubble de 73,4 kilómetros por segundo por megaparsec con solo un 1,3 % de incertidumbre. Dicho de otra manera, por cada megaparsec, o 3,26 millones de años luz, el análisis estima que en el universo cercano, el espacio mismo se expande a más de 160 000 millas por hora.
Sin embargo, las observaciones de una época completamente diferente de la historia del universo predicen una historia diferente. Las mediciones de la luz más temprana del universo, el fondo cósmico de microondas, cuando se combinan con el Modelo Estándar de Cosmología actual, fijan consistentemente la constante de Hubble a una velocidad que es significativamente menor que las observaciones tomadas a través de las supernovas Tipo Ia y otros marcadores astrofísicos. Esta considerable discrepancia entre las dos metodologías se ha denominado la tensión de Hubble.
Los nuevos conjuntos de datos Pantheon+ y SH0ES aumentan esta tensión del Hubble. De hecho, la tensión ahora ha superado el importante umbral de 5 sigma (alrededor de una en un millón de probabilidades de que surja debido al azar) que los físicos usan para distinguir entre posibles casualidades estadísticas y algo que, en consecuencia, debe entenderse. Alcanzar este nuevo nivel estadístico destaca el desafío tanto para los teóricos como para los astrofísicos de tratar de explicar la discrepancia constante de Hubble.
“Pensamos que sería posible encontrar pistas para una solución novedosa a estos problemas en nuestro conjunto de datos, pero en cambio, descubrimos que nuestros datos descartan muchas de estas opciones y que las profundas discrepancias siguen siendo tan obstinadas como siempre”, dice Brout.
Los resultados de Pantheon+ podrían ayudar a señalar dónde se encuentra la solución a la tensión del Hubble. “Muchas teorías recientes han comenzado a apuntar a una nueva física exótica en el universo muy primitivo, sin embargo, estas teorías no verificadas deben resistir el proceso científico y la tensión del Hubble sigue siendo un desafío importante”, dice Brout.
En general, Pantheon+ ofrece a los científicos una visión retrospectiva integral de gran parte de la historia cósmica. Las supernovas más antiguas y distantes del conjunto de datos brillan a 10.700 millones de años luz de distancia, es decir, cuando el universo tenía aproximadamente una cuarta parte de su edad actual. En esa era anterior, la materia oscura y su gravedad asociada mantuvieron bajo control la tasa de expansión del universo.
Tal estado de cosas cambió dramáticamente durante los siguientes miles de millones de años cuando la influencia de la energía oscura superó a la de la materia oscura. Desde entonces, la energía oscura ha arrojado los contenidos del cosmos cada vez más separados ya un ritmo cada vez mayor.
“Con este conjunto de datos Pantheon+ combinado, obtenemos una visión precisa del universo desde el momento en que estuvo dominado por la materia oscura hasta que el universo quedó dominado por la energía oscura”, dice Brout. “Este conjunto de datos es una oportunidad única para ver cómo la energía oscura se enciende e impulsa la evolución del cosmos en las escalas más grandes hasta el presente”.
Es de esperar que estudiar este cambio ahora con evidencia estadística aún más sólida conduzca a nuevos conocimientos sobre la naturaleza enigmática de la energía oscura.
“Pantheon+ nos está dando nuestra mejor oportunidad hasta la fecha de limitar la energía oscura, sus orígenes y su evolución”, dice Brout.
Con información de Astrophysical Journal
