Una vista del espacio profundo y las galaxias lejanas vistas por el JWST(Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, José M. Diego (IFCA), Jordan C. J. D’Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Rogier Windhorst (ASU), Haojing Yan (Universidad de Missouri)).
Nuevas observaciones del telescopio espacial James Webb (JWST) han corroborado los datos de su predecesor, el telescopio espacial Hubble, para determinar que algo falta en nuestra receta del cosmos.
El JWST ha llevado a cabo el mayor estudio hasta la fecha sobre la expansión acelerada del cosmos, en un intento de los científicos por descubrir por qué el universo se expande hoy más rápidamente de lo que nuestra imagen de su infancia, hace miles de millones de años, indica que debería hacerlo. Actualmente, los científicos teorizan que la expansión acelerada está causada por un elemento marcador de posición, la «energía oscura», pero realmente necesitan saber qué es realmente la energía oscura antes de poder encontrar una explicación concluyente.
El estudio del JWST sirvió para cotejar las observaciones realizadas por el Hubble que sugerían una discrepancia en las mediciones de la velocidad de expansión cósmica, conocida como constante de Hubble. Este problema se ha denominado «tensión de Hubble», y estos nuevos hallazgos demuestran que los errores en los datos del telescopio espacial del mismo nombre no son responsables de ello.
Como la tensión de Hubble no puede explicarse ni por nuestros mejores modelos del universo ni por los errores en las mediciones del Hubble, parece que todavía hace falta un ingrediente extra en nuestra receta cósmica.
«La discrepancia entre la tasa de expansión observada del universo y las predicciones del modelo estándar sugiere que nuestra comprensión del universo puede ser incompleta», dijo en un comunicado el líder del equipo, Adam Reiss, astrofísico de la Universidad Johns Hopkins. «Ahora que dos telescopios emblemáticos de la NASA confirman mutuamente sus hallazgos, debemos tomarnos muy en serio este problema [la tensión del Hubble] : es un reto, pero también una oportunidad increíble para aprender más sobre nuestro universo».En 2011, Reiss ganó el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la energía oscura, una fuerza misteriosa que impulsa la aceleración de la expansión del universo. Esta nueva investigación se basa en ese trabajo galardonado con el Nobel.
¿Qué es la tensión de Hubble?
Debido a que la expansión del universo funciona a escalas muy grandes, la tensión de Hubble no es algo que nos afecte en nuestra vida cotidiana ni siquiera a escalas del sistema solar o incluso de la Vía Láctea.
Esta discrepancia se vuelve realmente problemática cuando se consideran las distancias entre galaxias y la estructura mayor del universo. Eso significa que los cosmólogos no pueden comprender realmente la evolución del universo hasta que no sepan cuál es la causa de la tensión de Hubble.
La tensión de Hubble surge del hecho de que hay dos formas de calcular la constante de Hubble. Los científicos pueden utilizar elementos como las distancias a las supernovas de tipo Ia o a las estrellas variables, a las que denominan «candelas estándar», para medir las distancias desde la Tierra a las galaxias que las albergan y, a continuación, determinar a qué velocidad se alejan estas galaxias.
También pueden utilizar nuestros modelos de evolución cósmica para «hacer avanzar» el universo y calcular cuál debería ser la constante de Hubble en la actualidad.
Sin embargo, cuando se toman mediciones de la constante de Hubble en el universo local, éstas son superiores al valor predicho trabajando hacia adelante utilizando el mejor modelo que tenemos para la evolución cósmica, el modelo de materia oscura fría lambda (LCDM), también conocido como Modelo Estándar de Cosmología.
Un diagrama que muestra la evolución del universo según el modelo predominante de materia oscura fría (Crédito de la imagen: NASA/ LAMBDA Archive / WMAP Science Team).
El método basado en LCDM da un valor para la constante de Hubble de unas 152.000 millas por hora por megaparsec (68 kilómetros por segundo por megaparsec, o Mpc), mientras que las mediciones basadas en observaciones con telescopios dan regularmente un valor más alto, de entre 157.000 mph por Mpc y 170.000 mph por Mpc (70 a 76 km/s/Mpc).
Un Mpc equivale a 3,26 años-luz o 5,8 billones de millas (9,4 billones de kilómetros), por lo que se trata de una discrepancia enorme, que los científicos temían que fuera demasiado grande para explicarla las incertidumbres de las observaciones.
¡Parece que tenían razón!
¡Hubble tenía razón!
Para confirmar las conclusiones del Hubble, Reiss, y sus colegas recurrieron a la mayor muestra de datos recogidos por el JWST durante sus dos primeros años de funcionamiento, procedentes de dos proyectos diferentes.
Para medir la constante de Hubble, utilizaron tres métodos independientes para determinar la distancia a otras galaxias. En primer lugar, utilizaron las llamadas «variables cefeidas», estrellas pulsantes consideradas el patrón oro para medir distancias cósmicas. A continuación, el equipo lo cotejó con mediciones basadas en estrellas ricas en carbono y en las gigantes rojas más brillantes de las mismas galaxias.
El equipo se centró especialmente en las distancias galácticas medidas por el Hubble.
La investigación del equipo con el JWST abarcó alrededor de un tercio de la muestra completa de galaxias vistas por el Hubble utilizando como punto de referencia la galaxia Messier 106 (M106), también conocida como NGC 4258 y situada a unos 23 millones de años luz en la constelación de Canes Venaticias.
La galaxia M106 vista por el JWST y utilizada para comprobar las mediciones del Hubble (Crédito de la imagen: ESA/Webb, NASA & CSA, J. Glenn)
Esto no sólo les ayudó a producir las mediciones locales más precisas de la constante de Hubble hasta la fecha, sino que también verificó de forma independiente que las mediciones de distancia de Hubble eran exactas.
Las galaxias observadas por el JWST arrojaron una constante de Hubble de unas 162.400 mph por Mpc (72,6 km/s/Mpc), casi idéntica al valor de 162849 mph por Mpc (72,8 km/s/Mpc) hallado por Hubble para las mismas galaxias.
Esto elimina la posibilidad de que la tensión de Hubble sea sólo un artefacto derivado de un sesgo significativo en las mediciones del telescopio espacial de larga duración.
«Los datos del JWST son como ver el universo en alta definición por primera vez y realmente mejoran la relación señal-ruido de las mediciones“”, afirmó Siyang Li, miembro del equipo y estudiante de posgrado de la Universidad Johns Hopkins.
Por supuesto, esto significa que aún queda por resolver el problema de la tensión de Hubble. Dado que la expansión del universo funciona a escalas muy grandes
El cosmólogo Marc Kamionkowski, de la Universidad Johns Hopkins, que no participó en este estudio, cree que para resolver la tensión de Hubble es necesario incorporar un nuevo elemento a nuestros modelos del universo. Él tiene una idea de cuál puede ser este elemento.
«Una posible explicación de la tensión de Hubble sería que faltara algo en nuestra comprensión del universo primitivo, como un nuevo componente de materia -la energía oscura primitiva- que diera al universo un impulso inesperado tras el Big Bang», afirma Kamionkowski en el comunicado. «Y hay otras ideas, como propiedades divertidas de la materia oscura, partículas exóticas, cambios en la masa de los electrones o campos magnéticos primordiales que pueden ser la causa». «Los teóricos tienen licencia para ser bastante creativos».
La investigación del equipo se publicó el lunes 9 de diciembre en la revista Astrophysical Journal.
