¿Cómo llegamos aquí? ¿A dónde vamos? ¿Y cuánto tiempo tomará? Estas preguntas son tan antiguas como la humanidad misma y, si ya han sido formuladas por otras especies en otras partes del universo, potencialmente mucho más antiguas que eso.
También son algunas de las preguntas fundamentales que estamos tratando de responder en el estudio del universo, llamado cosmología. Un enigma cosmológico es qué tan rápido se está expandiendo el universo, que se mide por un número llamado constante de Hubble. Y hay bastante tensión a su alrededor.
En dos nuevos artículos dirigidos por mi colega Patrick Kelly en la Universidad de Minnesota, hemos utilizado con éxito una nueva técnica, que involucra la luz de una estrella en explosión que llegó a la Tierra a través de múltiples rutas sinuosas a través del universo en expansión, para medir la constante de Hubble. Los artículos se publican en Science y The Astrophysical Journal.
Y si nuestros resultados no resuelven del todo la tensión, nos dan otra pista y más preguntas que hacer.
Velas estándar y el universo en expansión
Sabemos desde la década de 1920 que el universo se está expandiendo.
Alrededor de 1908, la astrónoma estadounidense Henrietta Leavitt encontró una manera de medir el brillo intrínseco de un tipo de estrella llamada variable Cefeida: no qué tan brillantes parecen desde la Tierra, que depende de la distancia y otros factores, sino qué tan brillantes son en realidad. Las cefeidas se vuelven más brillantes y más tenues en un ciclo regular, y Leavitt mostró que el brillo intrínseco estaba relacionado con la duración de este ciclo.
La Ley de Leavitt, como se la llama ahora, permite a los científicos usar las Cefeidas como “velas estándar”: objetos cuyo brillo intrínseco se conoce y, por lo tanto, cuya distancia se puede calcular.
¿Cómo funciona esto? Imagina que es de noche y estás parado en una calle larga y oscura con solo unos pocos postes de luz en el camino. Ahora imagina que cada poste de luz tiene el mismo tipo de bombilla, con la misma potencia. Notarás que los distantes parecen más débiles que los cercanos.
Sabemos que la luz se desvanece proporcionalmente a su distancia, en algo llamado la ley del inverso del cuadrado de la luz. Ahora, si puede medir qué tan brillante le parece cada luz, y si ya sabe qué tan brillante debe ser, entonces puede calcular qué tan lejos está cada poste de luz.
En 1929, otro astrónomo estadounidense, Edwin Hubble, pudo encontrar varias de estas estrellas cefeidas en otras galaxias y medir su distancia, ya partir de esas distancias y otras medidas, pudo determinar que el universo se estaba expandiendo.
Diferentes métodos dan diferentes resultados.
Este método de vela estándar es poderoso y nos permite medir el vasto universo. Siempre estamos buscando velas diferentes que puedan medirse mejor y verse a distancias mucho mayores.
Algunos esfuerzos recientes para medir el universo más lejos de la Tierra, como el proyecto SH0ES del que formé parte, dirigido por el premio Nobel Adam Riess, han usado Cefeidas junto con un tipo de estrella en explosión llamada supernova Tipo Ia, que también se puede usar como vela estándar.
También existen otros métodos para medir la constante de Hubble, como el que utiliza el fondo cósmico de microondas: luz reliquia o radiación que comenzó a viajar por el universo poco después del Big Bang.
El problema es que estas dos mediciones, una cercana usando supernovas y Cefeidas, y otra mucho más lejos usando el fondo de microondas, difieren en casi un 10%. Los astrónomos llaman a esta diferencia la tensión de Hubble y han estado buscando nuevas técnicas de medición para resolverla.
Un nuevo método: lentes gravitacionales
En nuestro nuevo trabajo, hemos utilizado con éxito una nueva técnica para medir esta tasa de expansión del universo. El trabajo se basa en una supernova llamada Supernova Refsdal.
En 2014, nuestro equipo detectó varias imágenes de la misma supernova, la primera vez que se observaba una supernova “objetivada”. En lugar de que el telescopio espacial Hubble viera una supernova, ¡vimos cinco!
¿Como sucedió esto? La luz de la supernova salió en todas direcciones, pero viajó por el espacio deformada por los enormes campos gravitatorios de un enorme cúmulo de galaxias, que desviaron parte de la trayectoria de la luz de tal manera que terminó llegando a la Tierra por múltiples rutas. . Cada aparición de la supernova nos había llegado a través de un camino diferente a través del universo.
Imagina tres trenes saliendo de la misma estación al mismo tiempo. Sin embargo, uno va directo a la siguiente estación, el otro hace un amplio recorrido por la sierra, y otro por la costa. Todos salen y llegan a las mismas estaciones, pero hacen viajes diferentes y así, aunque salen a la misma hora, llegarán a horas diferentes.
Entonces, nuestras imágenes con lentes muestran la misma supernova, que explotó en un momento determinado, pero cada imagen ha recorrido un camino diferente. Al observar la llegada a la Tierra de cada aparición de la supernova, una de las cuales ocurrió en 2015, después de que la estrella en explosión ya había sido detectada, pudimos medir su tiempo de viaje y, por lo tanto, cuánto había crecido el universo mientras la imagen. estaba en tránsito.
¿Ya llegamos?
Esto nos dio una medida diferente, pero única, del crecimiento del universo. En los documentos, encontramos que esta medida está más cerca de la medida del fondo cósmico de microondas, en lugar de la medida cercana de cefeidas y supernovas. Sin embargo, según su ubicación, debería estar más cerca de la medida de Cefeida y supernova.
Si bien esto no resuelve el debate en absoluto, nos da otra pista para analizar. Podría haber un problema con el valor de la supernova, o nuestra comprensión de los cúmulos de galaxias y los modelos para aplicar a la lente, o algo completamente diferente.
Al igual que los niños en la parte trasera del automóvil en un viaje por carretera preguntando “¿ya llegamos?”, todavía no lo sabemos.
