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Conflicto cósmico

datos divergentes sobre la expansión del universo polariza a los científicos

Un desacuerdo entre dos medidas canónicas de distancias intergalácticas podría indicar un renacimiento en la física, o defectos profundos en nuestros estudios de la evolución cósmica.

Scientific American

Conflicto cósmico
La galaxia espiral NGC 4258, vista por el Telescopio Espacial Hubble. Los estudios de esta galaxia y muchos otros sugieren que el universo se está expandiendo más rápido de lo esperado en base a modelos cosmológicos estándar. Crédito de la imagen: NASA, ESA y Hubble Heritage Team

Por Lee Billings, para Scientific American Mayo 16 de 2018

Lo que comenzó como un debate sobre las mediciones astronómicas está a punto de convertirse en una crisis en toda regla sobre cómo entendemos el cosmos. Dos conjuntos de datos — uno del universo recién nacido hace casi 14 mil millones de años, el otro de las estrellas tal como las vemos hoy en día — están arrojando respuestas contradictorias a una pregunta engañosamente simple: ¿Qué tan rápido se está expandiendo el universo?

La brecha entre las respuestas es solo del 9 por ciento, pero eso supera con creces las incertidumbres estimadas de cada conjunto de datos. Los investigadores en cada lado de la brecha lo llaman "la tensión", y están cavando en sus talones sobre la validez de sus observaciones. Esta tensión es materia de sueños científicos — y pesadillas. Sugiere que en alguna parte, de alguna manera, nuestra comprensión de las leyes de la naturaleza puede ser fundamentalmente defectuosa — con implicaciones potencialmente profundas para la física, y quizás incluso el destino de todas las cosas.

"Si la tensión no es una casualidad y no es un error en la medición, implica que nos falta algo en nuestros modelos", dice Adam Riess, un astrofísico de la Universidad Johns Hopkins y del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial. "Hacer esta medición para el universo temprano y luego compararla con la de hoy es una prueba integral de toda la historia que hemos construido sobre el universo. El problema es que, si algo no encaja, no sabemos dónde exactamente diverge la historia ".

La respuesta a la pregunta de la tasa de expansión del universo es algo llamado la constante de Hubble, llamada así por el astrónomo Edwin Hubble, quien descubrió en la década de 1920 que el universo se está expandiendo. Las galaxias se alejan de nosotros a velocidades proporcionales a sus distancias, yendo más rápido cuanto más lejos están. La constante de Hubble codifica esta relación entre las distancias cósmicas y las velocidades. Pero al hacerlo, revela mucho más, lo que lo hace interesante no solo para los astrónomos sino también para los cosmólogos y físicos. Debido a que la constante representa la tasa de expansión en cualquier momento particular en la larga historia del universo, medir su valor a lo largo del tiempo proporciona una visión expansiva de cómo el universo evoluciona a través de los eones, dando a los investigadores pistas cruciales sobre nuestros orígenes cósmicos y futuro. De alguna manera atraídos por el vacío, miles de millones de galaxias que se precipitan hacia afuera también sienten la atracción gravitatoria colectiva de todo en el espejo retrovisor que intenta tirar de ellas. La constante de Hubble refleja la suma total de todas las cosas en el universo y las fuerzas que actúan sobre él — analizando si la gravedad o el vacío finalmente ganarán este tira y afloja intergaláctico.

Los contenidos del universo podrían eventualmente revertir la expansión — un escenario llamado "gran crisis", en el que la gravedad atrae a todo a un punto infinitamente cálido y denso como el que dio origen al Big Bang. O el universo podría expandirse de manera constante indefinidamente, haciéndose cada vez más frío y apático en un "gran frío" que ofrece un espacio y tiempo interminables — pero en última instancia, muy poco que hacer. O simplemente tal vez la expansión cósmica se acelerará dramáticamente, llegando a ser tan rebelde que le cuesta a todos sus jinetes. Tal universo acelerado podría dividir galaxias, luego estrellas, luego planetas, átomos y partículas subatómicas hasta que incluso la estructura de la realidad misma se escinde en sus costuras en un "gran desgarrón: Big Rip" que prácticamente no deja nada atrás. ¿Acabará el universo en fuego, hielo o vacío? La constante de Hubble lo sabe — pero hasta que se resuelva la tensión, la respuesta no está clara.

universo
Una imagen del Telescopio Espacial Hubble de la estrella variable Cefeida RS Puppis. Los astrónomos usan variables Cefeidas y supernovas para medir la tasa de expansión del universo. Crédito de la imagen: NASA, ESA y Hubble Heritage Team
SUPERNOVA SHOE-GAZING


"Este es el más importante de los parámetros cosmológicos", dice Wendy Freedman, una astrofísica de la Universidad de Chicago que ha dedicado su carrera a la constante de Hubble. "Es el ancla porque tiene el mayor impacto en la mayor cantidad de cosas. Esta es una medida que realmente importa ". En la década de 1990 y principios de 2000, Freedman lideró un equipo que utilizó el Telescopio Espacial Hubble para proporcionar lo que entonces eran las mejores mediciones de la constante. Otros desde entonces han estado mejorando en ellos.

Durante la última década Riess ha estado a la vanguardia de ese esfuerzo, liderando un equipo de astrónomos que están utilizando telescopios en el suelo y en el espacio para refinar aún más las estimaciones de la constante de Hubble, en un proyecto llamado "SH0ES" (no preguntes )

Los objetivos de SHOES son estrellas en explosión denominadas supernovas tipo Ia. Estas estrellas explotan con una luminosidad casi idéntica en todo el cosmos, lo que las convierte en "velas estándar" ideales para medir distancias a otras galaxias. Al saber cuán brillante es en realidad un tipo Ia frente al brillo que parece tener en sus telescopios, los científicos pueden calcular cuánto espacio hay entre la Tierra y ese lejano cataclismo estelar. También pueden medir el desplazamiento al rojo de cada supernova — la forma en que la expansión del espacio entre la supernova y la Tierra ha extendido la luz de la supernova a longitudes de onda más largas y más rojas. Luego estiman la tasa de expansión comparando los desplazamientos al rojo y el brillo de muchas supernovas diseminadas por el cosmos. Sin embargo, para calibrar sus mediciones de supernovas, el equipo SH0ES también usa otra vela estándar: estrellas variables cefeidas, que periódicamente pulsan en relación con su luminosidad y ofrecen mediciones de distancia superiores en las cercanías de la Vía Láctea.

Emparejar las supernovas y los datos de Cepheid ha permitido al equipo SH0ES obtener estimaciones cada vez más precisas para la constante de Hubble, reduciendo el margen de error de las mediciones de 5 por ciento en 2009 a solo 2.4 por ciento en 2016. Su último esfuerzo, calibrado utilizando nuevas y mejoradas Los datos de distancia de Cefeida de la nave espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA) reducen la incertidumbre al 2,2 por ciento. Con el paso de los años, los cálculos del equipo SH0ES sobre la constante de Hubble han sido notablemente consistentes: según las supernovas y las Cefeidas, el universo se está expandiendo a una velocidad de 73.5 kilómetros por segundo por megaparsec (alrededor de 3.3 millones de años luz). Es decir, por cada 3.3 millones de años luz de espacio entre nosotros y otra galaxia, este último se alejará de nosotros 73.5 kilómetros por segundo más rápido.

La tensión surgió de las mediciones independientes realizadas por otra ESA craft—Planck. De 2009 a 2013 Planck creó un mapa sin precedentes del fondo de microondas cósmico (CMB), el resplandor de la bola de fuego primordial del Big Bang de cuando el universo tenía solo 380,000 años. El equipo de Planck derivó la constante de Hubble de esa época pasada al modelar primero los tamaños y movimientos de las ondas de sonido que deberían haberse propagado a través de la sopa de partículas cargadas que llenaron el universo primitivo. Luego, compararon esas estimaciones con los ecos reales impresos en el CMB. La comparación proporcionó tanto la distancia al CMB como las dimensiones escalares de sus características, permitiendo al equipo de Planck medir la velocidad de expansión del universo primordial a solo 67,3 kilómetros por segundo por megaparsec. Esa estimación, y su notable margen de error de tan solo el 1 por ciento, depende fundamentalmente del "modelo estándar" bien establecido de la cosmología — una construcción teórica parecida a la de Klud que predice con fuerza muchas características observadas tanto del CMB como del cosmos contemporáneo.

"Esto es como que el pediatra mida y calcule que su hijo terminará midiendo un metro ochenta, pero su hijo termina creciendo hasta los seis pies y medio", dice Riess. "Significa que está sucediendo algo más — tal vez tu hijo tuvo un brote de crecimiento o recibió inyecciones de hormonas". En este caso, es la física de nuestro mejor modelo cosmológico que proporciona la tabla de crecimiento. ¿Pero quién dice que realmente tenemos ese derecho?

Habiendo pasado otra prueba más a través de las medidas de distancia de Cefeida de Gaia, dice Riess, las probabilidades de que la medición constante de SHOES Hubble sea una casualidad estadística son solo una de cada 7.000. Los físicos generalmente consideran que una medida es significativa cuando alcanza el nivel de probabilidad estadística de uno en un millón; en la actualidad, los resultados de SH0ES no llegan a ese alto estándar, pero se están acercando todo el tiempo. Mientras tanto, el equipo de Planck tampoco se está moviendo; la validez de su resultado, según han dicho consistentemente los miembros del equipo, es prácticamente inexpugnable.

big bang
El mapa de variaciones de todo el cielo de la nave espacial Planck en el fondo de microondas cósmico (CMB), la luz observable más antigua del universo. Las estimaciones de la tasa de expansión del universo derivadas de los datos de Planck entran en conflicto con las de las supernovas y otras fuentes. ICredit: colaboración de ESA y Planck

MÁS ALLÁ DEL MODELO ESTÁNDAR

Esta no es la primera vez que la expansión del universo ha desconcertado a los científicos. En la década de 1920, la expansión en sí fue un shock para la mayoría de los investigadores, especialmente Albert Einstein. Al contrario de su preferencia por un cosmos estático, la teoría de la relatividad general de Einstein predijo un universo que inevitablemente se expandiría o colapsaría. Para "arreglar" esto, agregó un nuevo término a sus cálculos: una especie de antigravedad que abarca todo el espacio que podría actuar para preservar el equilibrio universal. Einstein lo llamó primero "la constante cosmológica" — pero luego supuestamente lo llamó su "mayor error", luego del descubrimiento de Hubble. La intuición inicial de Einstein fue aparentemente vindicada a partir de la década de 1990, cuando Riess y otros astrónomos descubrieron que las supernovas de tipo Ia distantes eran más débiles (y, por lo tanto, más lejanas) de lo esperado. Una misteriosa "energía oscura" parecía estar causando que la expansión del universo se acelerara; quizás, muchos físicos especulaban, la energía oscura y la constante cosmológica eran una y la misma. Las mediciones del CMB y otras fuentes confirmaron rápidamente la existencia de la energía oscura si no su naturaleza exacta, lo que resultó en que Riess y otros dos recibieran el Premio Nobel de Física 2011.

Debido a que sus efectos se distribuirán uniformemente en todo el espacio, a medida que el espacio se expanda, la constante cosmológica se volverá más poderosa, incrementando la velocidad de aceleración para producir un gran frío o un gran desgarrón como destino final del universo. Pero ese impulso, al parecer, aún no alcanzaría la constante de Hubble que el equipo SH0ES y otros grupos observan hoy en el universo. Así que la tensión actual, Riess especula, podría deberse a que la energía oscura no es en absoluto la constante cosmológica de Einstein (aunque se apresura a agregar que tales escenarios no están fuertemente respaldados por observaciones de galaxias a medio camino entre el CMB y el presente). Si la energía oscura no es la constante cosmológica de Einstein, podría alimentar una aceleración aún más rápida, aliviando la tensión. En teoría, una forma tan no estándar de energía oscura también podría disminuir o incluso revertir profundamente sus efectos en el futuro, dejando abierta la posibilidad de que el universo aún pueda experimentar una gran crisis.

Existen otras explicaciones especulativas para la tensión, cada una de ellas otra vía que los investigadores deben seguir a través del laberinto de posibilidades que decide el destino final del cosmos. Incluyen variedades aún no descubiertas de partículas subatómicas de movimiento rápido, la influencia de dimensiones ocultas "extra", o varias interacciones con la materia oscura — por nombrar solo algunas. Podría ser que más de un tipo de física más allá del modelo estándar esté en juego en la aparente tensión entre las estimaciones constantes de Hubble desde los extremos opuestos del universo.

¿UNA CONSPIRACIÓN DE ERRORES?

Por otra parte, algunos escépticos dicen que la explicación más probable es simplemente errores cometidos en las mediciones. La línea de partido del equipo de Planck, en particular, ha sido que los errores en la calibración de las cefeidas y las supernovas tipo Ia probablemente sean los culpables de la tensión.

"No sabemos cuál es la respuesta, pero realmente no hay explicaciones teóricas que nos salgan como algo muy razonable", dice Lloyd Knox, miembro del equipo de Planck en la Universidad de California, Davis. "Hablando exclusivamente para mí, si tuviera que poner dinero en algo, todavía supongo que la tensión es un error sistemático en la medición directa de la constante de Hubble (en el universo moderno)". Por ejemplo, Knox dice, el resplandor las estrellas de fondo en galaxias distantes pueden contaminar las mediciones de brillo de las Cefeidas, sabotear la escalera de distancia cósmica de los astrónomos cerca de su base y arrojar mediciones dependientes de distancias mayores. En contraste, Knox y otros señalan, la derivación del equipo de Planck de la constante de Hubble se alinea con múltiples y extremadamente sólidas líneas de evidencia independientes — como la agrupación a gran escala de galaxias y las proporciones observadas de elementos ligeros generados en los primeros momentos después el Big Bang. Y los resultados de Planck, dice Knox, también se validaron recientemente mediante estudios CMB de seguimiento utilizando el Telescopio South Pole.

Riess argumenta que una y otra vez las pruebas realizadas por SH0ES y otros equipos han demostrado que las estrellas de fondo no son una fuente importante de errores en las mediciones de Cefeida. Además, el resultado SH0ES viene con una gran cantidad de datos que lo corroboran por sí mismo: separados de las supernovas y las Cefeidas, otras mediciones de la constante de Hubble en el universo de hoy llegan a un valor cercano al 73.5 encontrado por SH0ES. En 2017, un equipo internacional denominado H0LiCOW (nuevamente, no preguntar) cronometró la constante de Hubble a 72 kilómetros por segundo por megaparsec. Lo hicieron midiendo los tiempos de llegada retrasada de los rayos de luz de galaxias lejanas a medida que los rayos de varios caminos a través del espacio fueron distorsionados por galaxias masivas más cerca de la Tierra.

energia oscura
Este montaje muestra la luz de cinco galaxias de fondo distorsionadas por las masivas galaxias de primer plano más cercanas a la Tierra. La distorsión hace que las galaxias de fondo aparezcan como imágenes múltiples. Los científicos en la colaboración H0LiCOW estudiaron estos objetos para hacer una medición independiente de la expansión del universo consistente con estimaciones anteriores basadas en supernovas y variables Cefeidas. Crédito de la imagen: NASA, ESA, Hubble y Suyu et al.

Ese resultado, dice el miembro del equipo H0LiCOW Tommaso Treu, astrofísico de la Universidad de California, Los Ángeles, se basa únicamente en la geometría básica y la relatividad general de Einstein — y por lo tanto es totalmente independiente de los factores que pueden afectar las mediciones SH0ES o Planck. "En combinación con el resultado SH0ES, esto agrega evidencia de la tensión", dice Treu.

Tomados en conjunto, Riess considera que la evidencia que respalda su resultado es casi abrumadora. Para que sea incorrecto, dice, requeriría "una conspiración de errores — múltiples errores, uno para cada enfoque, que son independientes pero por alguna malevolencia del mismo tamaño y en la misma dirección". Y como dijo Einstein, 'Dios es sutil, pero no es malicioso' ".

David Spergel, un astrofísico de la Universidad de Princeton y el Instituto Flatiron, cree que es hora de que los equipos de ambas partes reconozcan que las incertidumbres en sus datos pueden ser mayores de lo que se creía anteriormente. "Históricamente, tanto astrónomos como cosmólogos han subestimado sus errores; Creo que eso también es cierto para las medidas aquí ", dice.

Una resolución puede estar en el horizonte. Spergel es uno de los principales científicos que planean el Telescopio Infrarrojo de reconocimiento de campo amplio (WFIRST) de la NASA, un observatorio espacial programado para lanzarse en la década de 2020 con el objetivo principal de estudiar la energía oscura. La ESA está planeando una misión similar, Euclid, que complementaría los estudios de WFIRST. Estas misiones podrían ayudar a resolver la tensión aclarando si la energía oscura se comporta como la constante cosmológica de Einstein o algo muy diferente. El Telescopio Espacial James Webb de la NASA, cuyo lanzamiento está programado para 2020, también podría proporcionar una avalancha de nuevas observaciones para limitar la constante, al igual que los lanzamientos de datos de Gaia en 2020 y más allá. Por la misma época, es probable que otras técnicas novedosas también maduren. Estos se basarían en estudios de poblaciones estelares inaccesibles previamente o incluso en observaciones de ondas gravitacionales provenientes de un gran número de estrellas de neutrones en colisión para obtener mediciones independientes adicionales de la constante de Hubble.

Por ahora, sin embargo, la tensión permanece — un símbolo figurativo y literal de cuán rápido se está acelerando nuestra comprensión del universo y hasta dónde tenemos que llegar.


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1 comentario - Conflicto cósmico

MariianAlmaraz
Resumen taringuero plis
KtuluTeEnsarta
La física teórica diseña modelos para explicar las cosas en forma predictiva, y muchos putitos creen que esos modelos son la realidad. Es como comparar un mapa de hambrientina con el territorio que realmente tienen. Es como creer que porque mucha gente usa paraguas...eso hará que llueva en ese día.

salu2

chile va al mundial?