Los datos del telescopio espacial reavivan el debate sobre la velocidad de expansión del universo y si es necesaria una «nueva física»

La triple medición de la constante de Hubble con el JWST sugiere que sesgos no identificados podrían explicar los resultados dispares.

Se ha abierto un nuevo frente en el prolongado debate sobre la velocidad de expansión del universo. Durante años, los astrónomos han discutido sobre la existencia de una brecha entre la tasa de expansión medida a partir de las galaxias del universo local y la calculada a partir de estudios del fondo cósmico de microondas (CMB), el resplandor del Big Bang. La disparidad era tan grande y persistente que algunos astrónomos pensaron que la teoría estándar del universo podría necesitar ajustes. Sin embargo, la semana pasada, los resultados del nuevo observatorio orbital JWST de la NASA sugieren que el problema podría ser más mundano: algún error sistemático en las estrategias utilizadas para medir la distancia a las galaxias cercanas.

“La evidencia basada en estos datos no sugiere la necesidad de física adicional”, dice Wendy Freedman de la Universidad de Chicago, quien lidera un equipo que calculó la tasa de expansión a partir de los datos del JWST utilizando tres mediciones de distancia galáctica diferentes y publicó los resultados en el servidor de preimpresión arXiv. (Los artículos aún no han sido revisados por pares). Los métodos discreparon sobre la tasa de expansión, conocida como la constante de Hubble o H0, y dos se acercaron a la predicción del CMB.

“Parece que hay razones para creer que no es una cuestión trivial obtener un H0, ya que técnicas muy fiables no coinciden”, dice el astrofísico Saul Perlmutter, de la Universidad de California en Berkeley, quien compartió el Premio Nobel de Física en 2011 por el descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando.

Hay mucho en juego porque la constante de Hubble es uno de los parámetros clave que definen el universo y nos dice su tamaño y edad. El desacuerdo entre las predicciones teóricas y los valores observados está tan arraigado que tiene un nombre: la tensión de Hubble. Los nuevos datos no lo resuelven, pero sí reorientan a los astrónomos para refinar sus esfuerzos en medir su valor en el universo cercano. “Tengo mucha curiosidad por saber cómo resultará esto, porque las capacidades del JWST son simplemente superiores en comparación con lo que teníamos antes”, dice el astrofísico Géza Csörnyei, del Instituto Max Planck de Astrofísica.

La tensión de Hubble surgió hace una docena de años o más, cuando los telescopios espaciales comenzaron a cartografiar con precisión las pequeñas fluctuaciones de temperatura del CMB. A partir de esos mapas, los cosmólogos pudieron estimar la tasa inicial de expansión del universo y extrapolarla hasta el presente, teniendo en cuenta dos fuerzas cósmicas que dieron forma a la expansión: la atracción gravitatoria de la misteriosa materia oscura y el empuje de un factor igualmente misterioso conocido como energía oscura.

Este cálculo de H0, que se basa en el universo primitivo, arrojó un valor de unos 67 kilómetros por segundo (km/s) por megapársec (Mpc), lo que significa que por cada 3,25 millones de años luz más lejos en el espacio, las galaxias se alejan 67 km/s más rápido. Pero cuando los astrónomos midieron H0 de forma más directa, siguiendo la velocidad a la que se alejan las galaxias cercanas, obtuvieron un valor diferente, de unos 72 km/s por Mpc. A medida que las técnicas mejoraron, esas dos estimaciones no convergieron, y se mantuvieron obstinadamente a unos 5 km/s de distancia: la tensión de Hubble.

Sin embargo, medir un valor de H0 en el universo local no es una cuestión sencilla. Los astrónomos pueden evaluar la velocidad a la que se aleja una galaxia midiendo hasta qué punto su luz se estira a longitudes de onda más largas debido a su movimiento. Obtener la distancia a una galaxia es mucho más difícil, y requiere lo que se conoce como una escala de distancias. Primero, los astrónomos identifican algún tipo de estrella con un brillo predecible (una candela estándar) que esté lo suficientemente cerca en nuestra galaxia como para medir directamente su distancia, por ejemplo, a partir de su movimiento aparente mientras la Tierra orbita alrededor del Sol. Los astrónomos han utilizado durante mucho tiempo un tipo de estrella variable llamada cefeida, cuya frecuencia de pulso indica su brillo. Luego pueden buscar cefeidas en galaxias cercanas. La frecuencia de pulso de cada estrella revela su brillo real, por lo que compararlo con el brillo aparente de las estrellas da sus distancias.

Para llegar más lejos, los astrónomos necesitan una candela estándar más brillante. Para ello, han recurrido a las estrellas en explosión conocidas como supernovas de tipo Ia, cada una de las cuales es una estrella enana blanca que crece demasiado y se enciende en una explosión termonuclear, alcanzando un brillo máximo predecible. Al encontrar estas supernovas en galaxias a una distancia conocida (calculada mediante cefeidas), pueden agregar otro peldaño a la escala de distancias y luego buscar supernovas similares en galaxias más distantes.

Adam Riess, de la Universidad Johns Hopkins, y el equipo que dirige, conocido como SH0ES, han perfeccionado este método: han obtenido el valor H0 midiendo cientos de cefeidas en 37 galaxias cercanas que albergan 42 supernovas de tipo Ia y, luego, extendiendo las mediciones a 277 supernovas más distantes. En 2022, utilizando el telescopio espacial Hubble, el equipo situó el valor H0 en 73 con una precisión del 1,4 %.

Aunque SH0ES ha defendido valores altos de H0 durante muchos años, en 2019 el Programa Hubble Carnegie-Chicago (CCHP), dirigido por Freedman, desafió esa cifra con una candela estándar diferente: las estrellas gigantes rojas, que alcanzan un brillo máximo predecible a medida que queman el último de su hidrógeno. El CCHP usó las gigantes rojas más brillantes en las galaxias para medir la distancia y derivó un H0 de aproximadamente 70. Para Freedman y otros, ese desacuerdo fue un indicio de que algún tipo de sesgo sistemático no detectado acechaba en uno o ambos métodos.

Ahora el desacuerdo se ha profundizado. El equipo del CCHP ha recurrido al JWST para medir la distancia a las mismas 10 galaxias locales utilizando tres candelas estándar simultáneamente: las cefeidas, las gigantes rojas más brillantes y una nueva, las estrellas de carbono. Se trata de un tipo de gigante roja cuya atmósfera contiene una gran cantidad de carbono y compuestos de carbono que les da un espectro distintivo y un brillo característico. El equipo del CCHP encontró que las distancias a las 10 galaxias medidas por las gigantes rojas más brillantes y las estrellas de carbono coincidían en aproximadamente un 1%, pero diferían de la distancia basada en las cefeidas en un 2,5% a un 4%. Combinando los tres métodos, el equipo obtuvo un valor de H0 justo por debajo de los 70 km/s por Mpc, más cercano al valor cosmológico que al valor de SH0ES utilizando solo las cefeidas.

“Hay algo sistemático en las mediciones”, dice Freedman. “Hasta que podamos establecer de forma inequívoca dónde radica el problema en el universo cercano, no podemos afirmar que hay física adicional en el universo distante”.

El debate sobre la constante de Hubble no terminará ahí. Riess señala que otros equipos han utilizado el JWST para medir distancias con los tres métodos por separado y han obtenido valores más cercanos al resultado original de SH0ES. También cuestiona por qué el CCHP excluyó datos de telescopios distintos del JWST. “No veo una justificación convincente para excluir los datos que excluyen”, dice.

Sin embargo, Perlmutter aplaude al equipo del CCHP por su enfoque directo para comparar los tres métodos de distancia de manera simultánea. El equipo les dio a los tres “lo mejor que pudo”, dice. “El mensaje más importante que surge de todo esto es que la historia no ha terminado, que hay variables que deben investigarse y que están en juego aquí”. Dadas las enormes dimensiones cósmicas que están en juego, “necesitamos llegar al fondo del asunto”.