¨Nuevas mediciones de distancia refuerzan el desafío al modelo básico del universo¨

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Crédito : Sophia Dagnello (NRAO/AUI/NSF). Concepción artística que ilustra un disco de gas portador de agua que orbita el agujero negro supermasivo en el núcleo de una galaxia distante. Al observar la emisión máser de tales discos, los astrónomos pueden usar la geometría para medir la distancia a las galaxias, un requisito clave para calcular la constante de Hubble.
Un nuevo conjunto de mediciones de precisión de distancia realizadas con una serie de radiotelescopios internacionales ha aumentado grandemente la probabilidad de que los teóricos necesiten revisar el "modelo estándar" que describe la naturaleza fundamental del Universo.
 
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 realizadas 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 nuestros resultados refuerzan la disparidad entre los valores medidos y los predichos por la teoría. Es probable que el problema sea el modelo cosmológico en sí involucrado en las predicciones”, dijo James Braatz, del Observatorio Radioastronómico Nacional de los EE.UU.(NRAO).
 
Braatz lidera el proyecto de cosmología ¨Megamaser¨, un esfuerzo internacional para medir la constante de Hubble al encontrar galaxias con propiedades específicas que sirven para producir distancias geométricas precisas. El proyecto ha utilizado los telescopios de la National Science Foundation (NSF) Very Long Baseline Array (VLBA), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) y  Robert C. Byrd Green Bank (GBT), junto con el telescopio Effelsberg en Alemania. El equipo publicó sus últimos resultados en la revista científica Astrophysical Journal Letters.
 
Edwin Hubble, en honor a quien el telescopio espacial Hubble fue bautizado, calculó por primera vez en 1929 la tasa de expansión del universo (la constante de Hubble) midiendo las distancias a las galaxias y sus velocidades de recesión. Cuanto más distante es una galaxia, mayor es su velocidad de recesión con respecto a 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, el efecto de paralaje es demasiado pequeño para realizar la medición, por lo que los astrónomos han confiado en objetos de referencia o "candelas 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 luminoso medimos el objeto desde la Tierra. Estas candelas estándar incluyen una clase de estrellas variables llamadas 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 desvía por el efecto gravitacional de una galaxia ubicada entre el quásar y el observador, generando múltiples imágenes. Cuando el quásar varía en brillo, el cambio aparece en las distintas imágenes en distintos momentos. Al medir esta diferencia de tiempo, junto con 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 candelas estándar y los quásares con lentes gravitacionales han producido cifras de 73-74 kilómetros por segundo (la velocidad) por megaparsec (distancia en unidades preferidas 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 remanente 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 en inglés ¨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 contiene agua orbitando agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias. Si el disco en órbita se ve casi de canto 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 un grupo internacional 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, con 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.
 
“Probar el modelo estándar de cosmología es un problema realmente desafiante que requiere las mejores mediciones de la constante de Hubble. La discrepancia entre los valores predichos y medidos de la constante apunta a uno de los problemas más fundamentales en toda la física, por lo que nos gustaría tener mediciones múltiples e independientes que corroboren el problema y pongan a prueba el modelo. Nuestro método es geométrico y completamente independiente de todos los demás, y refuerza la discrepancia ", dijo Dom Pesce, investigador del Centro de Astrofísica Harvard y Smithsonian, y autor principal del artículo más reciente.
 
“El método maser para medir la tasa de expansión del universo es elegante y, a diferencia de los demás, se basa en la geometría. Al medir posiciones y dinámicas extremadamente precisas de puntos maser en el disco de acreción que rodea un agujero negro distante, podemos determinar la distancia a las galaxias anfitrionas y luego la tasa de expansión. Nuestro resultado de esta técnica única fortalece el caso de un problema clave en la cosmología observacional", dijo Mark Reid del Centro de Astrofísica Harvard y Smithsonian, y miembro del equipo del Proyecto de Cosmología Megamaser.
 
“Nuestra medición de la constante de Hubble está muy cerca de otras mediciones recientes, y es 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.
 
Los astrónomos tienen varias formas de ajustar el modelo para resolver la discrepancia. Algunas de estas incluyen cambiar los supuestos sobre la naturaleza de la energía oscura, alejándose de la constante cosmológica de Einstein. Otras buscan cambios fundamentales en la física de partículas, como cambiar los números o tipos de neutrinos o las posibilidades de interacciones entre ellos. Hay otras posibilidades, incluso más exóticas, y en este momento los científicos no tienen evidencia clara para discriminar entre ellas.
 
“Este es un caso clásico de interacción entre observación y teoría. El modelo Lambda CDM ha funcionado bastante bien durante años, pero ahora las observaciones apuntan claramente a un problema que debe resolverse, y parece que el problema recae en el modelo”, dijo Pesce.

La versión original en inglés de este comunicado se encuentra en el siguiente link del sitio web de NRAO en EE.UU.: https://public.nrao.edu/news/challenge-model-of-universe/

El trabajo científico al que hace referencia la nota es: “The Megamaser Cosmology Project. XIII. Combined Hubble Constant Constraints,” D. W. Pesce, 2020 Feb. 26, Astrophysical Journal Letters [https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab75f0, preprint: https://arxiv.org/abs/2001.09213].

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Subido el 6 de julio del 2020 Etiquetas: