Densidades de energía ofrecen un nuevo camino para resolver la tensión del Hubble

Investigadores de la Universidad de Waterloo han propuesto un nuevo método para medir la constante de Hubble que podría ayudar a resolver uno de los enigmas más urgentes de la cosmología moderna: la tensión de Hubble.

El estudio, publicado en Physical Review Letters, busca resolver la tensión de Hubble, una discrepancia entre el valor de la constante de Hubble (H0) del método local (escalera de distancias) y el método del fondo cósmico de microondas (CMB).

Phys.org conversó con el primer autor del estudio, el Dr. Alex Krolewski, investigador postdoctoral de la Universidad de Waterloo.

«La tensión de Hubble entre las mediciones tempranas a gran escala y las mediciones locales tardías de la tasa de expansión del universo ha alcanzado el nivel de 5 sigma. Esto representa una probabilidad de ocurrencia aleatoria inferior a 0,0000003», explicó el Dr. Krolewski.

El método de la escalera de distancias arroja un valor de 73 km/s/Mpc (kilómetros por segundo por megapársec), mientras que el método CMB arroja 67 km/s/Mpc. Esta diferencia es significativa e indica una laguna en nuestra comprensión.

El horizonte sonoro
El método de la escalera de distancias utiliza objetos cercanos, como estrellas variables cefeidas y supernovas de tipo 1a, como velas; es decir, objetos cuyo brillo conocemos. Se miden las distancias a estos objetos y sus desplazamientos al rojo, lo que permite calcular la constante de Hubble.

Por otro lado, los métodos que utilizan el CMB se basan en el horizonte sonoro, una medida estándar en cosmología. Es una medida de la distancia máxima recorrida por las ondas sonoras en el universo primitivo, antes del desacoplamiento de la luz y la materia.

Estos enfoques requieren que los investigadores hagan suposiciones sobre el modelo ΛCDM, el mejor modelo cosmológico del universo actual.

Esto ha llevado a los investigadores a modificar la física del universo temprano para reducir el horizonte de sonido, lo que aumenta el valor de la constante de Hubble derivada de los datos del CMB y, por lo tanto, reduce la discrepancia. El problema radica en la dependencia del horizonte de sonido y, por lo tanto, del modelo ΛCDM. El Dr. Krolewski y su equipo se propusieron eliminar este problema.

«Nuestro nuevo método, en cambio, estima la densidad energética total del universo o la densidad crítica, que está directamente relacionada con la tasa de expansión. Como dijo John Archibald Wheeler: ‘El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse'», explicó el Dr. Krolewski.

Medidas de la fracción bariónica

El enfoque de los investigadores es un método completamente nuevo para medir la constante de Hubble a partir de observaciones de estructuras a gran escala y de bajo corrimiento al rojo, independientemente del horizonte de sonido.

Su método combina cuatro mediciones independientes para calcular la constante de Hubble.

Estos son la densidad física de fotones a partir de la temperatura del CMB, la relación barión-fotón derivada de la abundancia de deuterio primordial, la fracción bariónica a partir de la amplitud de las oscilaciones acústicas bariónicas en el agrupamiento de galaxias y la densidad geométrica de materia a partir de las mediciones de Alcock-Paczynski.

«Nuestro método se basa en el bootstrap a partir de las densidades de energía conocidas de los fotones y la materia ordinaria hasta la densidad de energía total del universo», afirmó el Dr. Krolewski.

La innovación de su método radica en extraer la fracción bariónica de los datos de agrupamiento de galaxias, un parámetro que generalmente se pasa por alto en los análisis estándar.

Esta medición denota la relación entre la materia ordinaria (o bariónica) y la materia total (que incluye la materia oscura) en el universo. Este parámetro sería uno si toda la materia del universo fuera bariónica y cero si toda la materia fuera materia oscura.

El enfoque del horizonte sonoro utiliza datos sobre la distribución de las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), que son ondulaciones en la distribución de la materia. Por otro lado, la medición de la fracción bariónica se centra en la fuerza de estas ondulaciones, haciéndola independiente del horizonte sonoro.

Ajustando las restricciones

Los investigadores utilizaron su método de horizonte libre de sonido y lo probaron con los datos del Estudio Espectroscópico de Oscilación Bariónica (BOSS DR12) del Sloan Digital Sky Survey.

Su método arrojó un valor de la constante de Hubble de 67,1 km/s/Mpc con una incertidumbre de +6,3/−5,3. Este valor es consistente con ambas mediciones y, por lo tanto, no favorece ninguno de los dos lados de la tensión.

«Probamos nuestro método en estudios simulados de galaxias con diferentes modelos cosmológicos y descubrimos que siempre pudimos recuperar el valor correcto de la tasa de expansión. En general, nuestro método es muy robusto a las incertidumbres sistemáticas», señaló el Dr. Krolewski.

Si bien sus hallazgos no resuelven definitivamente la tensión de Hubble, se espera que estudios futuros como el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) y el satélite Euclid mejoren las restricciones.

«DESI y Euclid medirán la característica BAO en la distribución de galaxias con una precisión inferior al porcentaje. Con esta precisión, podemos medir la amplitud de la BAO con mucha mayor precisión que en la actualidad. Con los datos completos de DESI y Euclid, podemos diferenciar entre los valores locales y del CMB para la tasa de Hubble», concluyó el Dr. Krolewski.

Con información de arXiv