miércoles, 15 de junio de 2016

Discrepancia en la aceleración de la expansión

La expansión cosmológica puede ser hasta un 9% más rápida de lo que debería ser.
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Esta ilustración muestra los pasos seguidos por los investigadores para realizar las mediciones.(Ampliar). Fuente: NASA, ESA, A. Feild, A. Riess.
Esto de la expansión acelerada del Universo se está complicando aún más de lo que se pensaba. Ahora resulta que dicha expansión puede ser hasta un 9% más rápida de lo que debería ser.
Recordemos que hasta los años noventa del pasado siglo se creía que la expansión del Universo de daba a un ritmo constante. La cosa cambió cuando se empezaron a medir explosiones de supernova de tipo Ia. Estas explosiones tiene la ventaja de producir casi siempre el mismo brillo intrínseco, por lo que sirven de candela estándar.
El problema de medir distancias en el Cosmos es el que ha perseguido a los astrónomos desde hace siglos. Ya en el siglo XVIII se enviaron expediciones a distintas partes del mundo para observar el tránsito de Venus. Las medidas temporales de comienzo y fin de este tránsito permitirían medir el Sistema Solar. Fue, posiblemente, la primera empresa científica internacional.
Ahora sabemos las distancias dentro de nuestro Sistema Solar muy bien, entre otras cosas gracias a las misiones tripuladas o automáticas a otros cuerpos distintos al planeta Tierra. Pero no podemos medir distancias directamente más allá al estar anclados en el Sistema Solar. Nos tenemos que valer de sistemas indirectos, como el de las candelas estándar.
Una candela estándar es un objeto astronómico que emite luz con un brillo intrínseco conocido. Como la intensidad de la luz disminuye con el cuadrado de la distancia por razones puramente geométricas, sólo tenemos que medir el brillo relativo para saber la distancia a la que se encuentra dicho objeto.
Entre las candelas estándar se encuentran las cefeidas variables, que son un tipo de estrella cuya variación de brillo está relacionada con el propio brillo intrínseco. El problema es que este método sólo sirve para galaxias que estén relativamente cerca a nosotros, pues más allá no se pueden distinguir de las demás estrellas a no ser que se use un telescopio más potente.
El otro tipo de candela está constituido por las estrellas de tipo Ia, cuya curva de variación temporal de brillo es conocida y que pueden verse a distancias cosmológicas debido a su gran brillo. De nuevo, gracias a la ley del inverso del cuadrado de la distancia podemos saber dónde se encuentran.
También está el corrimiento al rojo cosmológico, que no es una candela estándar. Básicamente, cuanto más lejos miremos en el Cosmos más corridas hacia al rojo estará la luz que viene de allí. Esto no es el efecto Doppler, sino que proviene de la expansión del propio espacio que media entre la fuente y nosotros y que viene dada por la expansión producida por el Big Bang. Esto es precisamente lo que descubrió Edwin Hubble y la razón por la que la constante de proporcionalidad lineal entre la velocidad de recesión y la distancia lleva su nombre: constante Hubble.
Fue precisamente en los noventa del pasado siglo cuando fue posible comparar el corrimiento el rojo cosmológico de algunas explosiones de supernova de tipo Ia con su brillo como candela estándar. La conclusión fue que la ley de Hubble es sólo una primera aproximación y que la expansión del Universo se está acelerando.
La solución fue atribuir a una energía oscura (desconocida) esta expansión acelerada. Lo más fácil y sencillo fue resucitar la constante cosmológica que propuso Einstein en su día y que es una energía del vacío. Esta podía funcionar como energía oscura al actuar como una especie de presión.
El resultado fue tan sorprendente que se tardo en ser aceptado. Pero siempre quedó la duda de si se estaba midiendo bien, pues las barras de error en este tipo de medidas suelen ser siempre demasiado grandes.
Un grupo de astrofísicos ha usado el telescopio espacial Hubble para medir muy bien cefeidas y las han usado como sistema de calibración para medir el brillo supernovas. En total midieron 2400 cefeidas en 19 galaxias y 300 supernovas de tipo Ia en galaxias lejanas.
Esto les ha permitido medir divergencia en la expansión del Universo con un error muy reducido (un 2,4 %) y han llegado a una sorprendente conclusión: el Universo parece expandirse a un ritmo aún más rápido de lo que se creía.
Según estas medidas la constante de Hubble es en la actualidad 73,2 km/s por Megaparsec. Esto viene a decir que el universo doblará su diámetro en 9800 millones de años.
Estos investigadores usaron, además del método de cefeidas y supernovas, un método para medir la constante de Hubble basado en el análisis del fondo cósmico de microondas (FCM). En los mapas del FCM levantados por el WMAP y Planck midieron las fluctuaciones para calcular cómo de rápido se estaba expandiendo el Universo 380.000 años después del Big Bang, que es cuando el FCM se formó (cuando el Universo se hizo transparente por primera vez).
De este modo tenían dos medidas de la expansión: una al principio del Universo hace más de 13.000 millones de años y otra ahora gracias a supernovas y cefeidas en la actualidad. Lo malo es que ambas medidas no coinciden. Era de esperar que no coincidieran, dado que ya sabemos que la expansión se acelera, pero, además, lo hace a un ritmo aún mayor de lo que se creía. En concreto la discrepancia total es de un 5% a un 9%. Es decir, la constate de Hubble en la época en la que se formó el FCM es entre un 5 y 9% menor que en la actualidad.
El resultado desafía las explicaciones estándar del fenómeno. O bien las observaciones están mal o la energía oscura es insuficiente para explicar la aceleración en la expansión. Quizás haya algo aún más extraño en el Cosmos.
Si la física conocida es correcta y se sabe la cantidad de materia ordinaria y la cantidad de energía y materia oscuras al comienzo del Universo es fácil medir la expansión en ese tiempo y calcular la constante de Hubble de entonces. Si se compara con la constante de Hubble de la actualidad y se confirma la discrepancia entonces hay que cambiar algo.
Pudiera ser que la energía oscura estuviera creciendo de modo más denso con el tiempo, por lo que el Universo sí sufriría un Big Rip catastrófico. O puede ser que la Relatividad General no sea una teoría completa.
También puede que exista una nueva partícula que contribuya a esta expansión acelerada y que actúe como radiación oscura. Esta partícula viajaría a velocidades cercanas a la de la luz y se habría generado en el Big Bang en gran cantidad. Aunque los neutrinos cumplen estas características, no están presenten en suficiente cantidad como para explicar la discrepancia. La presencia de esta radiación oscura impediría calcular bien la expansión actual de su trayectoria post Big Bang.
Otros expertos discrepan que haya un gran problema con esto ahora mismo y que el estado intelectual alcanzado ahora no debe de ser de pánico sino de “esto es interesante”. Al parecer, todavía hay margen de mejorar en la precisión de las distintas observaciones.
Este mismo grupo de investigadores ya trabaja en reducir el margen de error a un 1%. Además la misión Gaia de la ESA y el James Webb contribuirán a medir mejor todo esto. Así que habrá que espera unos años para saber si nos tenemos que preocupar aún más.
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