El universo parece expandirse más rápido de lo que debería. Y nadie sabe por qué, y las nuevas mediciones de distancia ultraprecisas solo agravaron este problema.
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el 3 de diciembre, la humanidad de repente tuvo la información que queríamos recibir desde tiempos inmemoriales: la distancia exacta a las estrellas.
"Ingrese el nombre de una estrella o su ubicación, y en un segundo obtendrá una respuesta", dijo Barry Mador , cosmólogo de la Universidad de Chicago y los Observatorios Carnegie, durante una videollamada. "En general ..." - se calló.
“Estamos inundados de estos datos”, dijo Wendy Friedman , cosmóloga de las mismas universidades y esposa y colega de Mador.
“No se puede exagerar mi entusiasmo por esto”, dijo por teléfono Adam Riess de la Universidad Johns Hopkins, quien ganó el Premio Nobel en 2011 por su contribución al descubrimiento de la energía oscura. "Déjame cambiar al video para mostrarte lo que me fascinó tanto". Cambiamos a Zoom para que pudiera compartir su pantalla, donde hay hermosos gráficos que describen nuevos datos sobre la ubicación de las estrellas.
Estos datos fueron recopilados por la nave espacial Gaia.Agencia Espacial Europea. Durante los últimos seis años, ha estado mirando las estrellas desde una posición de un millón y medio de kilómetros. El telescopio ha medido los paralaje de 1.300 millones de estrellas, pequeños cambios en las posiciones aparentes de las estrellas que revelan la distancia a ellas. “Parallax from Gaia es la medición de distancia más precisa jamás realizada”, dijo Joe Bovey , astrofísico de la Universidad de Toronto.
Y lo que es más agradable para los cosmólogos, el nuevo catálogo de Gaia incluye estrellas especiales, cuyas distancias sirven de criterio para todas las demás distancias más lejanas. Por lo tanto, los nuevos datos exacerbaron instantáneamente el mayor problema de la cosmología moderna: la expansión inesperadamente rápida del universo, la "tensión de Hubble" [tensión de Hubble].
La tensión es la siguiente: sobre la base de los componentes conocidos del Universo y las ecuaciones que lo gobiernan, resulta que debería expandirse a una velocidad de 67 km por segundo por megaparsec, es decir, con cada megaparsec adicional entre nosotros y la galaxia, debería volar lejos de nosotros 67 km más rápido ... Sin embargo, las mediciones reales superan constantemente este valor. Las galaxias vuelan demasiado rápido. Esta discrepancia sugiere una idea inquietante de que debe haber algún tipo de factor de aceleración desconocido para nosotros en el espacio.
"Sería increíblemente genial descubrir nueva física", dijo Friedman. “En secreto espero que se pueda hacer un descubrimiento sobre esta base. Pero debemos asegurarnos de que estamos en lo cierto. Hay mucho trabajo por hacer antes de hacer esto explícito ".
Este trabajo incluye reducir las posibles fuentes de error en las mediciones de la tasa de expansión. La mayor de estas fuentes fue la distancia a las estrellas más cercanas a nosotros, y esta distancia fue refinada por nuevos datos de paralaje.
En un artículo publicado en la revista The Astrophysical Journal artículoEl equipo de Riesz utilizó los nuevos datos para refinar la tasa de expansión. Obtuvieron 73,2 km por segundo por megaparsec, lo que está en línea con sus estimaciones anteriores, solo que ahora el error ha disminuido al 1,8%. Esto sólo refuerza la discrepancia con la velocidad predicha, 67.
Friedman y Mador planean publicar pronto su propia medida nueva y mejorada de esta velocidad . También creen que los nuevos datos solo fortalecerán, pero no cambiarán, sus dimensiones, que, aunque eran más pequeñas que las de Riesz y otros grupos, aún superaron las predicciones.
Desde el lanzamiento de Gaia en diciembre de 2013, ha lanzado dos conjuntos de datos masivos que han revolucionado la comprensión de las partes del cosmos más cercanas a nosotros. Sin embargo, las medidas de paralaje anteriores de Gaia decepcionaron a todos. "Cuando miramos la primera publicación de datos", en 2016, "sentimos ganas de llorar", dijo Friedman.
Un problema inesperado
Si los paralaje fueran más fáciles de medir, la revolución copernicana podría haber ocurrido antes.
En el siglo XVI, Copérnico sugirió que la Tierra gira alrededor del Sol [tales suposiciones se expresaron mucho antes que él, pero en Europa el sistema geocéntrico se consideró generalmente aceptado ]. Sin embargo, incluso entonces los astrónomos sabían sobre el paralaje. Si Copérnico tenía razón y la Tierra se está moviendo, entonces esperaban ver cambiar las posiciones de las estrellas en el cielo, al igual que el poste de luz que ves cambia en relación con las colinas distantes detrás de él cuando cruzas la calle. El astrónomo Tycho Brahe no detectó tales cambios y concluyó que la Tierra no se estaba moviendo.
Y sin embargo, se está moviendo y las estrellas se están moviendo, aunque muy poco, ya que están ubicadas muy lejos de nosotros.
Solo en 1838, el astrónomo alemán Friedrich Wilhelm Bessel pudo detectar el paralaje estelar. Midiendo el desplazamiento angular del sistema estelar 61 Cygnus con respecto a las estrellas circundantes, Bessel concluyó que se encuentra a una distancia de 10,3 años luz de nosotros [en la expresión figurativa de sus contemporáneos, “por primera vez mucho, arrojado en las profundidades del universo, llegó al fondo ”/ aprox ... por.]. Y sus medidas diferían de la verdad solo en un 10%: las nuevas medidas de Gaia dicen que las dos estrellas de este sistema están ubicadas a una distancia de 11.4030 y 11.4026 años luz de nosotros, más o menos un par de milésimas.
System 61 Swan está muy cerca de nosotros. Las estrellas más típicas de la Vía Láctea se mueven solo en centésimas de segundo de arco, cien veces menos que un píxel en una cámara de telescopio moderna. Para determinar su movimiento, se requiere un equipo especializado ultraestable. Gaia fue diseñado especialmente para este propósito, pero cuando se encendió el telescopio, enfrentamos un problema imprevisto.
El telescopio funciona mirando en dos direcciones a la vez y rastrea la diferencia angular entre las estrellas en dos campos de visión, explicó Lennart Lindergen , uno de los autores del proyecto Gaia en 1993, y líder del equipo que analizanuevos datos de paralaje. La medición precisa del paralaje requiere que el ángulo entre los dos campos de visión permanezca constante. Pero al comienzo de la misión, los científicos descubrieron que este no era el caso. El telescopio se flexionó ligeramente a medida que giraba en relación con el Sol, lo que provocó que se introdujeran vibraciones en su movimiento que imitaban el paralaje. Peor aún, este cambio dependía de manera compleja de la ubicación de los objetos, su color y brillo.
Sin embargo, a medida que se recopilaron los datos, los científicos descubrieron que sería más fácil separar el falso paralaje del real. Lindegren y sus colegas pudieron eliminar la mayor parte de la oscilación del telescopio de los nuevos datos y también obtuvieron una fórmula que los investigadores pueden usar para corregir los cambios en el paralaje en función de la ubicación, el color y el brillo de una estrella.
Subiendo las escaleras
Armados con los nuevos datos, Riess, Friedman y Mador y sus equipos pudieron volver a calcular la tasa de expansión del universo. En términos generales, para medir la tasa de expansión, es necesario comprender qué tan distantes están las galaxias de nosotros y qué tan rápido se alejan de nosotros. Medir la velocidad es fácil, pero la distancia es difícil.
Las mediciones más precisas se basan en complejas escaleras de distancias cósmicas.". El primer paso son las" velas estándar ", las estrellas, dentro y fuera de nuestra Galaxia con un brillo bien definido, ubicadas lo suficientemente cerca de nosotros para medir su paralaje, y esta es la única forma de medir la distancia a un objeto. luego, los astrónomos comparan el brillo de estas velas estándar con el brillo de las más tenues en galaxias cercanas para calcular su distancia. Este es el segundo peldaño de la escalera. Conocer la distancia a las galaxias elegidas porque tienen explosiones raras y brillantes de supernovas de tipo Ia., los astrónomos pueden medir las distancias relativas a las galaxias ubicadas aún más lejos, donde también hay supernovas de tipo Ia, que ya son más tenues para nosotros. La relación entre la velocidad de estas galaxias distantes y la distancia a ellas da la velocidad de expansión del espacio.
Por lo tanto, los paralaje son fundamentales para todo este diseño. "Cambie el primer paso, los paralaje, y todos los pasos que siguen también cambiarán", dijo Riess, uno de los líderes en el enfoque de la escalera de distancia. "Cambia la precisión del primer paso, la precisión de todo lo demás cambia".
El equipo de Riesz utilizó un nuevo paralaje de 75 cefeidas medido por Gaia - estrellas variables pulsantes, elegidas por ellos como sus velas estándar preferidas - para volver a calibrar su medida de la tasa de expansión del universo.
Los principales rivales de Riess en el juego de la escalera de distancia, Friedman y Mador, han comenzado a argumentar en los últimos años que las Cefeidas pueden estar ocultando un error que afecta a los peldaños superiores de la escalera. Por lo tanto, sin depender de ellos, su equipo combina mediciones basadas en varias velas estándar del conjunto de datos de Gaia: cefeidas, variables RR Lyrae, estrellas de la parte superior de la rama gigante roja, etc. estrellas de carbono .
“Los nuevos datos de Gaia nos brindan una plataforma segura”, dijo Mador. Ella y Friedman notaron que los nuevos datos y su fórmula de ajuste funcionan bien. Cuando se utilizan varios métodos para construir y analizar mediciones, los puntos en el gráfico, que denotan Cefeidas y otras estrellas, caen maravillosamente en líneas rectas, casi sin vacilación, hablando de errores aleatorios.
“Eso demuestra que realmente estamos obteniendo datos reales”, dijo Mador.