El cúmulo de Coma, visto por el telescopio espacial Hubble.(Crédito de la imagen: NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/D. Carter (Liverpool John Moores University)/Coma HST ACS Treasury Team)
El misterio de la tensión del Hubble se ha profundizado con el sorprendente hallazgo de que el cúmulo de galaxias de Coma está 38 millones de años luz más cerca de lo que debería.
En los últimos años, se han estado gestando problemas en los intentos de medir la expansión del universo, que se rige por la ley de Hubble-Lemaître. Ésta nos dice que la velocidad a la que una galaxia se aleja de nosotros por la expansión del espacio es igual a su distancia multiplicada por la velocidad de expansión, cuantificada como la constante de Hubble. Cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido se aleja.
Un equipo de astrónomos dirigido por Dan Scolnic, de la Universidad Duke de Carolina del Norte, y Adam Riess, de la Universidad Johns Hopkins, buscó todas las explosiones de supernovas de tipo Ia observadas por el telescopio espacial Hubble en las galaxias del Cúmulo de galaxias de Coma. Gracias a las mediciones de estas supernovas, el equipo descubrió que el Cúmulo de Coma está más cerca de nosotros de lo que el modelo estándar nos dice que debería estar, y eso es un gran problema.
Hay dos tácticas principales para medir la constante de Hubble. Una es directamente, observando «velas estándar» -es decir, objetos con luminosidades predecibles como las variables Cefeidas, las explosiones de supernovas de tipo Ia y las estrellas gigantes rojas- en las galaxias y determinando a qué distancia se encuentran en función del brillo aparente de estas velas estándar. Junto con la velocidad a la que se alejan de nosotros, que puede deducirse de las mediciones de su corrimiento al rojo (según el cual, cuanto más rápido se aleja algo de nosotros, más se estira su luz hacia longitudes de onda más largas y rojas), los astrónomos pueden utilizar la ley de Hubble-Lemaître para calcular la constante de Hubble.
La otra táctica consiste en retroceder en el tiempo, hasta casi el principio. El fondo cósmico de microondas (CMB) es la luz emitida 379.000 años después del Big Bang. Antes de esa fecha, el universo estaba lleno de un denso y hirviente océano de plasma, que es gas ionizado: estaba demasiado caliente para que los electrones y los núcleos atómicos se combinaran. El plasma era opaco a la luz y las ondas de densidad reverberaban a través de él.
Entonces, cuando el reloj cósmico marcó 379.000 años, el universo se había enfriado lo suficiente como para que los electrones y los núcleos se combinaran y formaran átomos enteros. El plasma se convirtió en una niebla de hidrógeno neutro y gas helio, pero esas ondas de densidad quedaron congeladas en la distribución de la materia, una distribución que persiste hasta nuestros días, aunque a escalas mucho mayores que entonces. El CMB capta el aspecto de esas ondas de densidad, denominadas «oscilaciones acústicas bariónicas» (BAO), 379.000 años después del Big Bang.
Los científicos son capaces de desplegar el modelo estándar de la cosmología sobre las observaciones del CMB para hacer predicciones sobre el universo. El modelo estándar es nuestra imagen básica de un cosmos dominado por materia oscura fría y energía oscura, que opera bajo la provincia de la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein.
La constante de Hubble se mantiene con pocos cambios en un valor de 67,4 km/seg-Mpc correspondiente a 13.800 millones de años para la edad del universo. (Crédito de la imagen: ESA/Planck Collaboration)
Basándose en las observaciones de la radiación CMB realizadas por la nave espacial Planck de la Agencia Espacial Europea, el modelo estándar predice que la constante de Hubble debería ser de 67,4 kilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc). Un megaparsec es un millón de parsecs, y un parsec son 3,26 años-luz, así que en otras palabras lo que Planck y el modelo estándar predicen es que cada volumen de espacio de un millón de parsecs debería expandirse 67,4 kilómetros cada segundo.
Sin embargo, la mayoría de las mediciones de las velas estándar en el aquí y ahora sugieren un valor diferente, del orden de 73,2 km/s/Mpc. Ambas mediciones se realizan con un alto grado de precisión y, según nuestros conocimientos de astrofísica y cosmología, ambas deberían ser correctas, pero ambas no pueden serlo. Tiene que ser una u otra. Esta diferencia inexplicable es lo que llamamos la tensión de Hubble.
«Me gusta pensar en la tensión del Hubble como cuando eras un niño en la consulta del médico, y te medían cuando eras un bebé, y el médico podría decir, bueno si eres así de grande cuando eres joven, serás así de grande cuando seas adulto», dijo Scolnic en una conferencia de prensa en la 245ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana este enero en Maryland.
«En astronomía podemos hacer lo mismo con imágenes del fondo cósmico de microondas, que es cuando el universo era un bebé, para predecir lo grande y rápido que se estaría expandiendo el universo hoy en día. Y luego los astrónomos como yo podemos ir y medir la expansión del universo hoy, y no coincide con la predicción», añadió Solnic.»
Nadie entiende la tensión de Hubble. Cuando se trata de los misterios del cosmos, casi siempre ocupa el primer lugar de la lista. Algunos científicos creen que hay algún tipo de error oculto pero persistente en la forma en que medimos las velas estándar: hay una reticencia comprensible a desechar el modelo estándar que tan bien nos ha servido hasta ahora. Sin embargo, los astrónomos que realizan las mediciones de las velas estándar señalan con el dedo al modelo estándar, o al menos a algún fenómeno desconocido que el modelo estándar no predice.
De cualquier modo, necesitamos saber más, razón por la cual mucho descansa sobre los hombros del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), basado en el telescopio Mayall de 4 metros del Observatorio Nacional Kitt Peak, en Arizona.
El DESI, que comenzará su misión de cinco años para medir el universo en expansión en 2021, incorpora 5.000 diminutos dispositivos robóticos que pueden posicionar 5.000 fibras ópticas para recoger datos de corrimiento al rojo de 5.000 objetos a la vez. A lo largo de los cinco años que durará el estudio, medirá los desplazamientos al rojo de unos 30 millones de galaxias repartidas a lo largo del tiempo cósmico para averiguar cómo la energía oscura acelera la expansión del universo.
De forma única, DESI es capaz de derivar la constante de Hubble basándose en predicciones tanto del universo temprano como del tardío. Observando los BAO, ahora a escala, en la distribución de galaxias a lo largo de la red cósmica y comparándolos con la escala angular de los BAO en el CMB, DESI calcula que la constante de Hubble es de 68,5 km/s/Mpc, muy cercana a la predicción del modelo Planck/estándar.
Sin embargo, las mediciones de DESI de la constante de Hubble en el universo moderno, utilizando el brillo de las explosiones de supernovas de tipo Ia en las galaxias, dan un valor de 76 km/s/Mpc, lo que sigue mostrando la tensión, aunque con una gran incertidumbre en las mediciones.
A los astrónomos les gustaría reducir esa incertidumbre. «La pregunta es: ¿podemos ayudar a DESI a realizar una medición mejor?», se preguntó Scolnic.
Para que sus resultados sean realmente imparciales, DESI construye su propia escala de distancias cósmicas desde cero, en lugar de basarse en mediciones anteriores, con una excepción. Por eso sus observaciones tienen una incertidumbre mayor que las mediciones anteriores. Esa escalera de distancias debe estar anclada de algún modo, calibrada con una medición sólida de la distancia a una galaxia o grupo de galaxias cercanas.
Para ello, Scolnic y Riess recurrieron a las observaciones del telescopio espacial Hubble de explosiones de supernovas de tipo Ia en el cúmulo de galaxias Coma. «Es un cúmulo bonito y rico con muchas galaxias, y muchas galaxias significan muchas supernovas, y todas están a la misma distancia», dijo Scolnic.
Esto les permitió calcular una distancia de 321 millones de años-luz, más o menos con una incertidumbre de 7 millones de años-luz, para anclar las observaciones DESI. Esto coincide perfectamente con las mediciones anteriores de la distancia del cúmulo de Coma, pero, ¿qué dice el modelo estándar? Predice que el cúmulo de Coma debería estar a 359 millones de años-luz, pero no está en absoluto tan lejos.
«Se puede ver en todas esas mediciones anteriores, muchas procedentes antes de que supiéramos siquiera que existía una tensión de Hubble, ninguna de ellas se acercó nunca a lo que sería la predicción si el modelo estándar fuera correcto», dijo Scolnic. «Todas demuestran que el modelo estándar con la medición de Planck no es correcto».
Dado que el Cúmulo de Coma es uno de los cúmulos de galaxias más cercanos a nosotros, Scolnic describe este hallazgo como la tensión de Hubble en nuestro patio trasero. También debería acabar con la idea de que la tensión de Hubble no es real, que es una idea que ganó fuerza en el verano de 2024 cuando un equipo dirigido por Wendy Freedman de la Universidad de Chicago utilizó observaciones del telescopio espacial James Webb de variables Cefeidas y estrellas gigantes rojas para medir la distancia a 10 galaxias. Las mediciones de Freedman de la constante de Hubble basadas en estas diez galaxias coincidían con el modelo estándar, lo que sugería que la tensión de Hubble podía haber sido un error. Sin embargo, esa es una conclusión audaz a partir de sólo 10 galaxias, y Scolnic dice que el resultado de Freedman «ahora se ha entendido en un contexto mejor, y la tensión de Hubble no ha desaparecido.»
Entonces, ¿cuál podría ser la causa de la tensión del Hubble? Los cínicos deseosos de derrocar el establishment científico podrían argumentar que hay que descartar el modelo estándar, pero es demasiado pronto para tirar al bebé con el agua de la bañera. Conviene recordar que el modelo estándar ha cosechado numerosos éxitos, desde la descripción de la formación, el crecimiento y la evolución de las galaxias, y la existencia de estructura a gran escala en el universo, hasta la predicción de las características del CMB, incluido el tamaño de los BAO.
Entonces, ¿cuál podría ser la causa de la tensión de Hubble? La atención se centra ahora en el universo primitivo y en la posibilidad de que hubiera allí algo no previsto por el modelo estándar que pudiera haber afectado a las mediciones. Tal vez hubo una explosión adicional de energía oscura en el universo primitivo, o tal vez la energía fue inyectada en el cosmos primitivo por la radiación de los axiones, que son partículas teóricas y un candidato para la identidad de la materia oscura. Todo sigue siendo muy especulativo.
Mientras tanto, el resultado del cúmulo de Coma pone de manifiesto lo preocupante que es la tensión de Hubble. De hecho, Scolnic piensa que los hallazgos del cúmulo de Coma han profundizado irreversiblemente el misterio, para concluir afirmando ominosamente que «la tensión de Hubble es ahora una crisis de Hubble.»
Los hallazgos del Cúmulo de Coma han sido aceptados para su publicación en The Astrophysical Journal, y está disponible una preimpresión.
