La "tensión de Hubble" representa la diferencia entre la tasa de expansión observada del universo y la tasa de expansión esperada del universo. El Telescopio Espacial James Webb mejoró las mediciones anteriores realizadas por el Telescopio Espacial Hubble. A pesar del progreso, quedan dudas sobre la rápida expansión del universo y los fenómenos cósmicos subyacentes que la subyacen.

Observaciones completas de la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de la NASA y la WFC3 (cámara de campo amplio 3) del Hubble muestran que la galaxia espiral NGC 5584 está a 72 millones de años luz de la Tierra. Entre las estrellas luminosas de NGC 5584 se encuentran estrellas pulsantes llamadas variables Cefeidas y supernovas de Tipo Ia, un tipo especial de estrella en explosión. Los astrónomos utilizan cefeidas y supernovas de tipo Ia como marcadores de distancia fiables para medir la tasa de expansión del universo. Fuente de la imagen: NASA, ESA, CSA y A.Riess (STScI)

El ritmo al que se expande el universo, conocido como constante de Hubble, es uno de los parámetros fundamentales para comprender la evolución y el destino final del universo. Sin embargo, existe una discrepancia persistente conocida como "tensión de Hubble" entre el valor de la constante medida utilizando varias métricas de distancia independientes y el valor predicho a partir del resplandor del Big Bang.

El Telescopio Espacial James Webb de la NASA proporciona nuevas capacidades para revisar y refinar algunas de las evidencias observacionales más sólidas de esta tensión. El premio Nobel Adam Riess de la Universidad Johns Hopkins y el Instituto Científico del Telescopio Espacial describió el trabajo reciente de él y sus colegas utilizando observaciones de Webb para mejorar la precisión de las mediciones locales de la constante de Hubble.

El desafío de medir el universo

¿Alguna vez ha tenido problemas para ver una señal que está en el borde de su campo de visión? ¿Qué dice? ¿Qué quiere decir esto? Incluso con los telescopios más potentes, las "señales" que los astrónomos quieren leer parecen tan pequeñas que nos cuesta trabajo hacerlo.

La firma que los cosmólogos quieren descifrar es la firma del límite de velocidad cósmica, que nos dice qué tan rápido se está expandiendo el universo, un número llamado constante de Hubble. Nuestras constelaciones están escritas en las estrellas de galaxias distantes. El brillo de ciertas estrellas en estas galaxias nos dice qué tan lejos están de nosotros y, por lo tanto, cuánto tiempo tarda esta luz en llegar hasta nosotros, mientras que el corrimiento al rojo de la galaxia nos dice cuánto se ha expandido el universo durante ese tiempo, indicándonos así el ritmo de expansión.

Este diagrama ilustra la capacidad combinada de los telescopios espaciales Hubble y Webb de la NASA para determinar la distancia precisa a una clase especial de estrellas variables utilizadas para calibrar la tasa de expansión del universo. Estas cefeidas aparecen en un campo estelar abarrotado. La contaminación lumínica de las estrellas circundantes puede hacer que las mediciones del brillo de las cefeidas sean menos precisas. La visión infrarroja más nítida de Webb permite aislar más claramente el objetivo de la Cefeida de las estrellas circundantes, como se muestra a la derecha. Los datos de Webb confirman la precisión de los 30 años de observaciones de Cefeidas del Hubble, que fueron fundamentales para establecer el peldaño inferior de la escala de distancias cósmicas que mide la tasa de expansión del universo. A la izquierda, NGC 5584 aparece en una imagen compuesta de la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de Webb y la cámara de campo amplio 3 del Hubble. Fuente de la imagen: NASA, ESA, A.Riess(STScI), W.Yuan(STScI)

Una clase especial de estrellas, las variables cefeidas, nos han proporcionado las mediciones de distancia más precisas durante más de un siglo porque estas estrellas son muy brillantes: son supergigantes, cien mil veces más luminosas que el Sol. Es más, pulsan (es decir, se expanden y contraen en tamaño) durante varias semanas, lo que indica su brillo relativo. Cuanto más largo es el período, más brillantes son intrínsecamente. Son la herramienta estándar para medir distancias a galaxias de 100 millones de años luz o más, un paso clave para determinar la constante de Hubble. Desafortunadamente, desde nuestro punto de vista distante, las estrellas de las galaxias están apiñadas en un espacio pequeño, por lo que a menudo carecemos de la resolución para separarlas de sus vecinas en la línea de visión.

Las contribuciones del Hubble y el progreso de Webb

Una de las principales razones para construir el Telescopio Espacial Hubble fue resolver este problema. Antes del lanzamiento del Hubble en 1990 y las posteriores mediciones de las Cefeidas, la tasa de expansión del universo era tan incierta que los astrónomos no estaban seguros de si el universo se había estado expandiendo durante 10 o 20 mil millones de años. Esto se debe a que una tasa de expansión más rápida dará como resultado un universo más joven, mientras que una tasa de expansión más lenta dará como resultado un universo más viejo. Hubble tiene mejor resolución de longitudes de onda visibles que cualquier telescopio terrestre porque se encuentra por encima de los efectos borrosos de la atmósfera terrestre. Por lo tanto, puede identificar cefeidas individuales en galaxias a más de 100 millones de años luz de distancia y medir los intervalos de tiempo en los que cambian de brillo.

Sin embargo, también tenemos que mirar las Cefeidas en la parte del espectro del infrarrojo cercano para ver la luz que pasa ilesa a través del polvo intermedio. (El polvo absorbe y dispersa la luz óptica azul, haciendo que los objetos distantes parezcan tenues y engañándonos haciéndonos creer que están más lejos de lo que realmente están). Desafortunadamente, la visión de luz roja del Hubble no es tan clara como la azul, por lo que la luz de las estrellas que vemos desde las Cefeidas se mezcla con otras estrellas en el campo de visión. Podríamos interpretar la combinación promedio estadísticamente, de manera muy similar a como un médico calcularía el peso corporal restando el peso promedio de la ropa de la lectura de una báscula, pero hacerlo agregaría ruido a la medición. , porque la ropa de algunas personas es más pesada que la de otras.

Sin embargo, la aguda visión infrarroja es uno de los superpoderes del telescopio espacial James Webb. Con sus grandes espejos y su óptica sensible, puede separar fácilmente la luz cefeida de las estrellas vecinas con poca mezcla. En el primer año de funcionamiento del Programa de Observación Universal de Webb en 1685, recopilamos observaciones de las cefeidas descubiertas por Hubble en dos pasos a lo largo de la llamada escalera de distancias cósmicas. El primer paso consiste en observar las Cefeidas en galaxias a distancias geométricas conocidas, lo que nos permite calibrar las verdaderas luminosidades de las Cefeidas. Para nuestros propósitos, esa galaxia es NGC 4258. El segundo paso es observar las variables cefeidas en la galaxia anfitriona de la reciente supernova de Tipo Ia. La combinación de los dos primeros pasos transfiere conocimiento de la distancia a las supernovas para calibrar sus verdaderas luminosidades. El tercer paso es observar supernovas distantes donde la expansión del universo es significativa, lo que se puede medir comparando la distancia inferida de su brillo con el corrimiento al rojo de la galaxia anfitriona de las supernovas. Esta serie de escalones se llama escalera de distancia.

Recientemente obtuvimos las primeras mediciones de Webb de los pasos uno y dos, lo que nos permitió completar la escala de distancias y compararlas con mediciones anteriores del Hubble (ver figura), debido a la resolución del observatorio en longitudes de onda del infrarrojo cercano. ¡Esta mejora es con lo que sueñan los astrónomos! Observamos más de 320 cefeidas en los dos primeros pasos. Confirmamos que las primeras mediciones del Telescopio Espacial Hubble fueron precisas, aunque ruidosas. También observamos otros cuatro anfitriones de supernovas con Webb y vimos resultados similares en toda la muestra.

Comparación de las relaciones período-luminosidad de las estrellas variables cefeidas para medir distancias. El punto rojo es del Webb de la NASA y el punto gris es del Hubble de la NASA. El panel superior es NGC 5584, un anfitrión de supernova de Tipo Ia, y el recuadro muestra marcadores de imágenes de la misma variable Cefeida vista por cada telescopio. El panel inferior es NGC 4258, una galaxia con una distancia geométrica conocida, y el recuadro muestra la diferencia en el módulo de distancia entre NGC 5584 y NGC 4258 medida con cada telescopio. El acuerdo entre los dos telescopios es muy bueno. Fuente de la imagen: NASA, ESA, A. Riess (STScI) y G. Anand (STScI)

El misterio de la persistencia de la tensión del Hubble

¡Los resultados aún no explican por qué el universo se está expandiendo tan rápido! Podemos predecir qué tan rápido se está expandiendo el universo observando su imagen inicial (el fondo cósmico de microondas) y luego usando los mejores modelos de cómo ha crecido el universo a lo largo del tiempo para decirnos qué tan rápido debería expandirse el universo hoy. El hecho de que las mediciones actuales de la tasa de expansión superen con creces las predicciones es un problema que lleva una década conocido como la "tensión de Hubble". La posibilidad más interesante es que la tensión sea una de las pistas que faltan en nuestra comprensión del universo.

Podría indicar la existencia de energía oscura exótica, materia oscura exótica, una revisión de nuestra comprensión de la gravedad o la existencia de partículas o campos únicos. La explicación más común es que múltiples errores de medición confluyeron en la misma dirección (los astrónomos descartan errores individuales usando pasos independientes), por eso es tan importante rehacer las mediciones con mayor fidelidad. Con la confirmación de Webb de las mediciones de Hubble, las mediciones de Webb proporcionan la evidencia más sólida hasta el momento de que los errores sistemáticos en la fotometría de Cefeidas de Hubble no juegan un papel significativo en la tensión actual de Hubble. Como resultado, quedan posibilidades más interesantes y el misterio de la tensión se profundiza.

Este artículo destaca datos de un artículo aceptado por The Astrophysical Journal.