ASTRONOMÍA. La "tensión de Hubble" y su relación con la densidad del universo

La "tensión de Hubble" y su relación con la densidad del universo, James Webb

 

Se seleccionaron diez áreas del cielo como “campos profundos” que la Cámara de Energía Oscura tomó imágenes varias veces durante el estudio, proporcionando una visión de galaxias distantes y ayudando a determinar su distribución 3D en el cosmos. Fuente: NSF/DES/NOIRLab/DOE/FNAL/AURA/Universidad de Alaska Anchorage/

En la década de 1920, Edwin Hubble y Georges Lemaitre hicieron un descubrimiento sorprendente que cambió para siempre nuestra percepción del Universo. Al observar galaxias más allá de la Vía Láctea y medir sus espectros, determinaron que el Universo se estaba expandiendo. 

10 diciembre 2023.- En la década de 1990, con la ayuda del Telescopio Espacial Hubble , los científicos tomaron las imágenes más profundas del Universo hasta la fecha e hicieron otro descubrimiento sorprendente: ¡la tasa de expansión se está acelerando! Este parámetro, denotado por Lambda, es parte integral del modelo aceptado de cosmología, conocido como modelo Lambda de Materia Oscura Fría (LCDM).

Desde entonces, los intentos de medir distancias han producido una discrepancia conocida como la " tensión de Hubble ". Si bien se esperaba que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) resolviera esta " crisis de la cosmología ", sus observaciones no han hecho más que profundizar el misterio. Esto ha llevado a varias propuestas de resolución, incluida la idea de que hubo una " Energía Oscura Temprana " poco después del Big Bang. En un artículo reciente, un equipo internacional de astrofísicos propuso una nueva solución basada en una teoría alternativa de la gravedad que afirma que nuestra galaxia está en el centro de una "subdensidad".

El estudio fue dirigido por Sergij Mazurenko , estudiante de física de la Universidad de Bonn. A él se unieron Indranil Banik , investigador de la Alianza de Física de Universidades Escocesas de la Universidad de Saint Andrews; Pavel Kroupa , profesor astrofísico del Grupo de Investigación de Dinámica y Poblaciones Estelares de la Universidad de Bonn y del Instituto Astronómico de la Universidad Charles , y Moritz Haslbauer, Ph.D. Estudiante del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR). 

El artículo que describe sus hallazgos apareció recientemente en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

En pocas palabras, la expansión del Universo hace que las galaxias y las estructuras de gran escala del Universo se alejen cada vez más. La velocidad a la que retroceden es proporcional a la distancia entre ellos, donde los aumentos en la distancia conducen a un aumento del doble en la velocidad. Por lo tanto, medir la tasa de expansión requiere mediciones de distancia precisas, lo que requiere una constante por la cual se puedan multiplicar estas distancias: la constante de Hubble-Lemaitre . Hay varias formas de medir esta constante, que incluyen mediciones de distancia del Fondo Cósmico de Microondas (CMB).

Estas mediciones arrojan una estimación de unos 244.000 km/h por megaparsec (Mpc), o unos 269 km/s por año luz. Otras formas de medir distancias incluyen el uso de "velas estándar" en el Universo local. Sin embargo, cuando los astrónomos aplican estas mediciones, obtienen un valor constante de aproximadamente 264.000 km/h por Mpc, de ahí la “tensión de Hubble”. Como explicó el Prof. Kroupa en un reciente comunicado de prensa de la Universidad de Bonn :

“Pero también se pueden observar cuerpos celestes que están mucho más cerca de nosotros: las llamadas supernovas de categoría 1a, que son un cierto tipo de estrella en explosión. Por lo tanto, el Universo parece expandirse más rápidamente en nuestra vecindad (es decir, hasta una distancia de unos tres mil millones de años luz) que en su totalidad. Y ese no debería ser realmente el caso”.

Sin embargo, observaciones recientes sobre las densidades de materia local en nuestro Universo podrían ayudar a resolver este problema. Según el Dr. Kroupa y sus colegas, nuestra galaxia puede residir en una cavidad espacial donde la densidad de la materia es menor que la materia circundante. Las fuerzas gravitacionales que emanan de esta materia circundante son responsables de empujar a las galaxias dentro de la cavidad hacia los bordes.

 "Es por eso que se están alejando de nosotros más rápido de lo que realmente se esperaría", dijo el coautor Dr. Indranil Banik de la Universidad de St. Andrews. “Por lo tanto, las desviaciones podrían explicarse simplemente por una “subdensidad” local.

Esta ilustración muestra la “flecha del tiempo” desde el Big Bang hasta la época cosmológica actual. Fuente: NASA

De manera similar, caracterizan estas interacciones gravitacionales utilizando una teoría alternativa de la gravedad conocida como Dinámica Newtoniana Modificada (MOND). En el modelo LCDM estándar, la distribución de la materia en todo el Universo es homogénea e isotrópica (distribuida uniformemente), y no deberían existir subdensidades. Dijo Krupa:

“El modelo estándar se basa en una teoría sobre la naturaleza de la gravedad propuesta por Albert Einstein. Sin embargo, las fuerzas gravitacionales pueden comportarse de manera diferente a lo que esperaba Einstein. Sin embargo, en nuestros cálculos, MOND predice con precisión la existencia de tales burbujas”.

Esta resolución propuesta está respaldada por mediciones recientes realizadas por otro equipo de investigación de la velocidad promedio de un grupo de galaxias ubicado a 600 millones de años luz de distancia. Según los resultados del equipo, estas galaxias se alejan de la Vía Láctea cuatro veces más rápido de lo que permite el modelo cosmológico estándar. 

Esto resalta uno de los aspectos más atractivos de MOND: elimina por completo la tensión del Hubble. En lugar de dos constantes, sólo habría una para medir la expansión del Universo, y las desviaciones observadas se deben a irregularidades en la distribución de la materia.

Pero, por supuesto, MOND también sufre algunos problemas que le han impedido convertirse en el modelo estándar de cosmología. Lamentablemente, lo único que los astrónomos pueden hacer ahora es continuar estudiando el Universo con mayor profundidad y detalle con la esperanza de que futuras observaciones ayuden a resolver la tensión de Hubble y otros misterios cosmológicos.

Lectura adicional: Universidad de Bonn