El Universo se expande, pero ¿a qué velocidad exactamente? La respuesta parece depender de si se estima la velocidad de expansión cósmica -denominada constante de Hubble- basándose en el eco del Big Bang (el fondo cósmico de microondas, o CMB) o si se mide directamente basándose en las estrellas y galaxias actuales. Este problema, conocido como la tensión de Hubble, ha desconcertado a astrofísicos y cosmólogos de todo el mundo.
Un estudio realizado por el grupo de investigación Stellar Standard Candles and Distances, dirigido por Richard Anderson en el Instituto de Física de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), añade una nueva pieza al rompecabezas. Su investigación, publicada en Astronomy & Astrophysics, logró la calibración más precisa hasta la fecha de las estrellas Cefeidas -un tipo de estrella variable cuya luminosidad fluctúa a lo largo de un periodo definido- para mediciones de distancia basadas en datos recogidos por la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA). Esta nueva calibración amplifica aún más la tensión de Hubble.
La constante de Hubble (H0) debe su nombre al astrofísico que, junto con Georges Lemaître, descubrió el fenómeno a finales de la década de 1920. Se mide en kilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), donde 1 Mpc equivale a unos 3,26 millones de años luz.
La mejor medida directa de H0 utiliza una «escalera de distancias cósmicas», cuyo primer peldaño lo establece la calibración absoluta del brillo de las Cefeidas, ahora recalibrada por el estudio de la EPFL. A su vez, las Cefeidas calibran el siguiente peldaño de la escalera, donde las supernovas -poderosas explosiones de estrellas al final de sus vidas- trazan la expansión del propio espacio. Esta escalera de distancias, medida por el equipo Supernovae, H0, for the Equation of State of dark energy (SH0ES) dirigido por Adam Riess, Premio Nobel de Física 2011, sitúa a H0 a 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.
Primera radiación tras el Big Bang
H0 también puede determinarse interpretando el CMB, que es la omnipresente radiación de microondas que quedó del Big Bang hace más de 13.000 millones de años. Sin embargo, este método de medición del «Universo temprano» tiene que asumir la comprensión física más detallada de cómo evoluciona el Universo, lo que lo hace dependiente del modelo. El satélite Planck de la ESA ha proporcionado los datos más completos sobre el CMB y, según este método, H0 es de 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.
La tensión de Hubble se refiere a esta discrepancia de 5,6 km/s/Mpc, según se utilice el método del CMB (Universo temprano) o el de la escalera de distancias (Universo tardío). La implicación, siempre que las mediciones realizadas en ambos métodos sean correctas, es que algo falla en la comprensión de las leyes físicas básicas que rigen el Universo. Naturalmente, esta importante cuestión subraya lo esencial que es que los métodos de los astrofísicos sean fiables.
El nuevo estudio de la EPFL es tan importante porque refuerza el primer peldaño de la escalera de las distancias al mejorar la calibración de las Cefeidas como trazadoras de distancias. De hecho, la nueva calibración nos permite medir distancias astronómicas con una precisión de ± 0,9%, lo que supone un fuerte apoyo a la medición del Universo tardío. Además, los resultados obtenidos en la EPFL, en colaboración con el equipo de SH0ES, ayudaron a refinar la medición de H0, lo que se tradujo en una mejora de la precisión y un aumento de la importancia de la tensión de Hubble.
Nuestro estudio confirma la tasa de expansión de 73 km/s/Mpc, pero lo que es más importante, también proporciona las calibraciones más precisas y fiables de las Cefeidas como herramientas para medir distancias hasta la fecha, afirma Anderson. Desarrollamos un método que buscaba Cefeidas pertenecientes a cúmulos estelares formados por varios cientos de estrellas comprobando si las estrellas se mueven juntas a través de la Vía Láctea. Gracias a este truco, pudimos aprovechar los mejores conocimientos de las mediciones de paralaje de Gaia al tiempo que nos beneficiábamos de la ganancia en precisión que proporcionan las numerosas estrellas miembros de los cúmulos. Esto nos ha permitido llevar al límite la precisión de las paralajes de Gaia y proporciona la base más firme sobre la que puede apoyarse la escalera de distancias.
Repensar los conceptos básicos
¿Por qué importa una diferencia de sólo unos pocos km/s/Mpc, dada la vasta escala del Universo? Esta discrepancia tiene una enorme importancia, afirma Anderson. Supongamos que quieres construir un túnel excavando en dos lados opuestos de una montaña. Si has entendido bien el tipo de roca y si tus cálculos son correctos, los dos agujeros que estás excavando se encontrarán en el centro. Pero si no es así, significa que has cometido un error: o tus cálculos son erróneos o te has equivocado con el tipo de roca. Eso es lo que ocurre con la constante de Hubble. Cuanta más confirmación obtengamos de que nuestros cálculos son exactos, más podremos concluir que la discrepancia significa que nuestra comprensión del Universo es errónea, que el Universo no es exactamente como pensábamos.
La discrepancia tiene muchas otras implicaciones. Pone en tela de juicio los fundamentos mismos, como la naturaleza exacta de la energía oscura, el continuo espacio-tiempo y la gravedad. Significa que tenemos que replantearnos los conceptos básicos que forman la base de nuestra comprensión general de la física, afirma Anderson.
El estudio de su grupo de investigación también supone una importante contribución en otras áreas. Como nuestras mediciones son tan precisas, nos permiten comprender mejor la geometría de la Vía Láctea, afirma Mauricio Cruz Reyes, estudiante de doctorado del grupo de Anderson y autor principal del estudio. La calibración de alta precisión que hemos desarrollado nos permitirá determinar mejor el tamaño y la forma de la Vía Láctea como galaxia de disco plano y su distancia a otras galaxias, por ejemplo. Nuestro trabajo también confirmó la fiabilidad de los datos de Gaia comparándolos con los obtenidos con otros telescopios.
Fuentes
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne | Mauricio Cruz Reyes et al., A 0.9% calibration of the Galactic Cepheid luminosity scale based on Gaia DR3 data of open clusters and Cepheids, Astronomy & Astrophysics (2023). DOI:10.1051/0004-6361/202244775
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