Nuevas mediciones de distancia de precisión con un conjunto de radiotelescopios ha aumentado la probabilidad de revisión del “modelo estándar” que describe la naturaleza fundamental del Universo.

Nuevos cálculos aumentan dudas sobre el modelo estándar del Universo
Concepción artística que ilustra un disco de gas que contiene agua en órbita alrededor del agujero negro supermasivo en el núcleo de una galaxia distante

Las nuevas mediciones de distancia permitieron a los astrónomos refinar su cálculo de la constante de Hubble, la tasa de expansión del universo, un valor importante para probar el modelo teórico que describe la composición y evolución del universo. El problema es que las nuevas mediciones exacerban una discrepancia entre los valores medidos previamente de la constante de Hubble y el valor predicho por el modelo cuando se aplica a las mediciones del fondo cósmico de microondas realizado por el satélite Planck.

“Encontramos que las galaxias están más cerca de lo previsto por el modelo estándar de cosmología, corroborando un problema identificado en otros tipos de mediciones de distancia. Se ha debatido si este problema radica en el modelo en sí o en las medidas utilizadas para probarlo. Nuestro trabajo utiliza una técnica de medición de distancia completamente independiente de todas las demás, y reforzamos la disparidad entre los valores medidos y los pronosticados. Es probable que el problema sea el modelo cosmológico básico involucrado en las predicciones”, dijo en un comunicado James Braatz, del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO).

Braatz lidera el Proyecto de cosmología Megamaser, un esfuerzo internacional para medir la constante de Hubble al encontrar galaxias con propiedades específicas que se prestan a producir distancias geométricas precisas. El proyecto ha utilizado el Very Long Baseline Array (VLBA) de la National Science Foundation, el Very Large Array (VLA) de Karl G. Jansky y el Telescopio Robert C. Byrd Green Bank (GBT), junto con el telescopio Effelsberg en Alemania. El equipo informó sus últimos resultados en Astrophysical Journal Letters.

Edwin Hubble calculó por primera vez la tasa de expansión del universo (la constante de Hubble) en 1929 midiendo las distancias a las galaxias y sus velocidades de recesión. Cuanto más distante es una galaxia, mayor es su velocidad de recesión desde la Tierra. Hoy, la constante de Hubble sigue siendo una propiedad fundamental de la cosmología observacional y un foco de muchos estudios modernos.

La medición de las velocidades de recesión de las galaxias es relativamente sencilla. Sin embargo, determinar las distancias cósmicas ha sido una tarea difícil para los astrónomos. Para los objetos en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, los astrónomos pueden obtener distancias midiendo el cambio aparente en la posición del objeto cuando se ven desde lados opuestos de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, un efecto llamado paralaje. La primera medida de la distancia de paralaje de una estrella se produjo en 1838.

Más allá de nuestra propia galaxia, los paralajes son demasiado pequeños para medirse, por lo que los astrónomos han confiado en objetos llamados “velas estándar”, llamadas así porque se presume que se conoce su brillo intrínseco. La distancia a un objeto de brillo conocido se puede calcular en función de qué tan oscuro aparece el objeto desde la Tierra. Estas velas estándar incluyen una clase de estrellas llamadas variables Cefeidas y un tipo específico de explosión estelar llamada supernova Tipo Ia.

Otro método para estimar la tasa de expansión consiste en observar quásares distantes cuya luz se dobla por el efecto gravitacional de una galaxia en primer plano en múltiples imágenes. Cuando el quásar varía en brillo, el cambio aparece en las diferentes imágenes en diferentes momentos. Al medir esta diferencia de tiempo, junto con los cálculos de la geometría de la flexión de la luz, se obtiene una estimación de la tasa de expansión.

Las determinaciones de la constante de Hubble basadas en las velas estándar y los cuásares con lentes gravitacionales han producido cifras de 73-74 kilómetros por segundo (la velocidad) por megaparsec (distancia en unidades favorecidas por los astrónomos).

Sin embargo, las predicciones de la constante de Hubble a partir del modelo cosmológico estándar cuando se aplica a las mediciones del fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación sobrante del Big Bang, producen un valor de 67,4, una diferencia significativa y preocupante. Esta diferencia, que según los astrónomos está más allá de los errores experimentales en las observaciones, tiene serias implicaciones para el modelo estándar.

El modelo se llama Lambda Cold Dark Matter, o Lambda CDM, donde “Lambda” se refiere a la constante cosmológica de Einstein y es una representación de la energía oscura. El modelo divide la composición del Universo principalmente entre materia ordinaria, materia oscura y energía oscura, y describe cómo ha evolucionado el Universo desde el Big Bang.

El Proyecto de Cosmología Megamaser se enfoca en galaxias con discos de gas molecular que contienen agua orbitando agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias. Si el disco en órbita se ve casi de borde desde la Tierra, se pueden usar puntos brillantes de emisión de radio, llamados masers –análogos de radio a láseres de luz visible–, para determinar tanto el tamaño físico del disco como su extensión angular y, por lo tanto, a través de la geometría, su distancia.

El equipo del proyecto utiliza la colección mundial de radiotelescopios para realizar las mediciones de precisión necesarias para esta técnica.

En su último trabajo, el equipo refinó sus mediciones de distancia a cuatro galaxias, a distancias que van desde 168 millones de años luz a 431 millones de años luz. En combinación con mediciones de distancia anteriores de otras dos galaxias, sus cálculos produjeron un valor para la Constante de Hubble de 73,9 kilómetros por segundo por megaparsec.

“Nuestra medición de la Constante de Hubble está muy cerca de otras mediciones recientes, y estadísticamente muy diferente de las predicciones basadas en el CMB y el modelo cosmológico estándar. Todo indica que el modelo estándar necesita revisión “, dijo Braatz.

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