Una galaxia encerrada en una burbuja. ¿Es la posición de la Vía Láctea en un supervacío responsable de la tensión de Hubble(Crédito de la imagen: Robert Lea)
Nuevas investigaciones sugieren que la preocupante disparidad en el ritmo de expansión del universo, conocida como constante de Hubble, puede deberse a que la Tierra se encuentra en una vasta región poco densa del cosmos.
El problema se conoce como la «tensión de Hubble». Surge del hecho de que hay dos formas de calcular la constante de Hubble a la edad actual del universo, pero estos métodos no coinciden.
El equipo que está detrás de esta investigación sugiere que este problema surge del hecho de que nuestra galaxia, la Vía Láctea, se asienta en una región poco densa o «supervacío». Eso significaría que el espacio parecería expandirse más rápido en esta «burbuja de Hubble», conocida oficialmente como el supervacío Keenan-Barger-Cowie (KBC) (también denominado de forma poco halagadora «el agujero local»), sesgando así nuestras observaciones.
«Los vacíos son regiones del universo donde la densidad es inferior a la media», explicó a universeexpedition.com Indranil Banik, miembro del equipo y cosmólogo de la Universidad de Saint Andrews. «Los supervacíos son vacíos mayores de unos 300 millones de años luz».
¿Qué es un supervoide?
El universo se expande a un ritmo increíblemente rápido, pero aunque tu trayecto al trabajo parezca cada día más largo, esto sólo es un factor perceptible a vastas escalas cósmicas.
Esto significa que la constante de Hubble mide la velocidad a la que las galaxias distantes se alejan unas de otras. En principio, esto podría parecer que la discrepancia en las tasas de la constante de Hubble es un problema menos acuciante. Al fin y al cabo, no afecta a la distancia que hay que recorrer para tomar el café de la mañana.
El problema es que sin comprender a qué velocidad se expande el universo, los cosmólogos no pueden entender cómo evolucionó el cosmos, y a nuestro mejor modelo de esta evolución, la materia oscura fría lambda (CDM lambda) o «el modelo estándar de la cosmología», le falta algo. Así pues, la tensión de Hubble no es, sin duda, algo que los científicos puedan eludir o ignorar.
Diagrama que representa el supervacío de Keenan-Barger-Cowie en medio de la red cósmica de materia que se extiende por el universo. La Vía Láctea está situada fuera del centro del vacío. (Crédito de la imagen: AG Kroupa/Universidad de Bonn)
El mayor supervacío conocido del universo es el de Eridanus, de 1.800 millones de años luz de ancho, pero el de KBC tampoco se queda atrás en tamaño.
«El supervacío KBC es una región un 20% menos densa que la media cósmica, centrada aproximadamente donde estamos nosotros y que se extiende hasta unos mil millones de años luz», explica Banik. «Normalmente, cuando se mide la constante de Hubble mediante distancias y corrimientos al rojo, no se va demasiado lejos porque la velocidad de expansión del universo ha cambiado con el tiempo.
«Esto significa que la gente no suele mirar más allá de unos 2.000 millones de años luz. Pero eso significaría que las observaciones están dentro del vacío KBC».
¿Por qué realizar observaciones dentro del supervacío KBC supondría una diferencia suficiente en la constante de Hubble como para dar lugar a la tensión de Hubble?
¿Qué es la tensión de Hubble?
Hay dos formas de calcular la tensión de Hubble; llamémoslas «observación» y «teoría» (aunque en realidad es simplificar demasiado).
Empezando por el método teórico, los científicos realizan observaciones de un «fósil cósmico» llamado fondo cósmico de microondas (CMB). La primera luz que atravesó el cosmos, el CMB, es un campo de radiación que llena de manera casi uniforme todo el universo.
A continuación, los científicos hacen avanzar el reloj del cosmos, modelizando su evolución a partir del MDL Lambda. Así obtienen el valor actual de la constante de Hubble.
Un diagrama que muestra la evolución del universo según el modelo predominante de materia oscura fría (Crédito de la imagen: NASA/WMAP Science Team)
En el método de «observación», los científicos utilizan datos astronómicos para medir las distancias a las galaxias que albergan supernovas de tipo Ia o estrellas variables, dos ejemplos de objetos que los astrónomos denominan «candelas estándar.»
A continuación, pueden calcular a qué velocidad se alejan estas galaxias examinando el cambio en las longitudes de onda de la luz de estos cuerpos, o el «corrimiento al rojo». Cuanto mayor es el desplazamiento al rojo, más rápido se aleja una galaxia de nosotros, y a partir de ahí se puede calcular la constante de Hubble.
«Con el universo tardío, lo principal que hay que recordar es que a medida que miras más lejos, miras más atrás en el tiempo», dijo Banik. «Los fotones que llevan más tiempo viajando se estiran más debido a la expansión cósmica».
El problema es que este método de observación da un valor de Constante de Hubble mayor que el valor obtenido extrapolando hacia delante con la CDM Lambda.
SN2014J, una de las supernovas de tipo Ia más cercanas de las últimas décadas. (Crédito de la imagen: NASA, ESA, A. Goobar (Universidad de Estocolmo) y el Hubble Heritage Team).
El «método teórico» 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 el «método de observación» da regularmente un valor más alto, de entre 157.000 mph por Mpc y 170.000 mph por Mpc (70 a 76 km/s/Mpc), dependiendo de qué observaciones se utilicen.
Un Mpc equivale a 3,26 años-luz o 5,8 billones de millas (9,4 billones de kilómetros), por lo que la tensión de Hubble es claramente una gran discrepancia.
«Las observaciones del Universo tardío nos dicen que el ritmo de expansión es un 10% más rápido que si utilizamos Lambda CDM para extrapolar hacia adelante hasta hoy a partir de cómo era el universo en la época del CMB», dijo Banik. «No es un descubrimiento que la gente quisiera hacer, que nuestra mejor teoría de la cosmología esté equivocada.
«¡Es un problema, pero a la naturaleza no le importan nuestras teorías!».
Una ilustración muestra una Vía Láctea no a escala sentada en un vacío solitario del cosmos (Crédito de la imagen: Robert Lea)
Banik y sus colegas piensan que la tensión de Hubble surge del hecho de que el universo parece expandirse más rápido dentro del supervacío KBC.
«Se puede pensar en un supervoide como un universo homogéneo más alguna masa negativa concentrada», dijo Banik. «Esto tiene un efecto gravitatorio repulsivo, que puede elevar los desplazamientos al rojo de las galaxias más allá de lo que se debe a la expansión cósmica por sí sola».
Esto supone una diferencia, ya que el método teórico promedia la constante de Hubble en todo el universo, mientras que el método de observación sólo la calcula dentro del supervacío KBC. Así, dentro de esta «burbuja de Hubble», tenemos una perspectiva sesgada y parcial.
«Esto haría que el universo localmente pareciera que se expande más rápido de lo que realmente lo hace, lo que a su vez podría resolver la tensión de Hubble.»
Curiosamente, el equipo ni siquiera estaba pensando en la tensión de Hubble cuando comenzó a investigar el supervacío KBC. Lo que en realidad querían saber era si supervoides como éste surgen en el CDM de Lambda.
«Fue entonces cuando nos dimos cuenta de que si estás dentro del vacío, pensarías que el universo se expande más rápido de lo que lo hace en realidad», explicó Banik. «Así que también fue entonces cuando nos dimos cuenta de que esto podría resolver la tensión de Hubble».
En cuanto a descubrir si supervóvidos como «el agujero local» son posibles en el CDM Lambda, Banik dijo que el equipo descubrió que un vacío tan grande y profundo no puede surgir en el modelo estándar de la cosmología, al menos tal y como está planteado actualmente.
Banik predijo que la resolución de la tensión de Hubble podría llegar tan pronto como en 2030. Sin embargo, para que esto ocurra, dijo que los científicos deben aceptar que el universo tiene más estructura de la esperada en el modelo cosmológico estándar.
«Saber qué aspecto de la cosmología estándar hay que revisar para resolver la tensión de Hubble será un gran alivio. En realidad, para resolverla hará falta una teoría más profunda», concluye Banik. «Mi opinión es que la tensión de Hubble se resolverá dentro de diez años.
«Sin embargo, si me equivoco sobre la causa de la tensión de Hubble, resolverla no está en absoluto en el horizonte, ya que no existe una buena teoría de segundo orden que sea coherente con otras restricciones importantes, como las edades de las estrellas más antiguas.»
La investigación del equipo se publica en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
