El Universo se expande más rápido de lo esperado

El 3 de diciembre, la humanidad tuvo de repente a su alcance una información que la gente ha querido desde, bueno, desde siempre: las distancias precisas a las estrellas.

«Tecleas el nombre de una estrella o su posición, y en menos de un segundo tendrás la respuesta», dijo Barry Madore, cosmólogo de la Universidad de Chicago y de los Observatorios Carnegie, en una llamada de Zoom la semana pasada. «Quiero decir…» Se interrumpió.

«Ahora mismo estamos bebiendo de una manguera», dijo Wendy Freedman, también cosmóloga de Chicago y Carnegie y esposa y colaboradora de Madore.

«No puedo exagerar lo emocionado que estoy», dijo en una llamada telefónica Adam Riess, de la Universidad Johns Hopkins, que ganó el Premio Nobel de Física en 2011 por codescubrir la energía oscura. «¿Puedo mostrarte visualmente por qué estoy tan emocionado?». Cambiamos a Zoom para que pudiera compartir en pantalla bonitos gráficos de los nuevos datos estelares.

Los datos proceden de la nave espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea, que ha pasado los últimos seis años observando las estrellas desde una percha a 1 millón de millas de altura. El telescopio ha medido los «paralajes» de 1.300 millones de estrellas, es decir, pequeños cambios en las posiciones aparentes de las estrellas en el cielo que revelan sus distancias. «Los paralajes de Gaia son, con mucho, las determinaciones de distancia más exactas y precisas que se han hecho nunca», dijo Jo Bovy, astrofísico de la Universidad de Toronto.

Lo mejor de todo para los cosmólogos es que el nuevo catálogo de Gaia incluye las estrellas especiales cuyas distancias sirven de baremo para medir todas las distancias cosmológicas más lejanas. Gracias a ello, los nuevos datos han agudizado rápidamente el mayor enigma de la cosmología moderna: la inesperada y rápida expansión del universo, conocida como la tensión de Hubble.

La tensión es la siguiente: Los ingredientes conocidos del cosmos y las ecuaciones que lo rigen predicen que actualmente debería estar expandiéndose a un ritmo de 67 kilómetros por segundo por megaparsec, lo que significa que deberíamos ver galaxias alejándose de nosotros 67 kilómetros por segundo más rápido por cada megaparsec adicional de distancia. Sin embargo, las mediciones reales sobrepasan sistemáticamente la marca. Las galaxias se alejan demasiado rápido. La discrepancia sugiere de forma emocionante que algún agente acelerador desconocido puede estar en marcha en el cosmos.

«Sería increíblemente emocionante que hubiera una nueva física», dijo Freedman. «Tengo el secreto en mi corazón de que espero que la haya, que haya un descubrimiento que hacer allí. Pero queremos asegurarnos de que estamos en lo cierto. Hay trabajo que hacer antes de poder decirlo inequívocamente».

Ese trabajo implica reducir las posibles fuentes de error en las mediciones de la tasa de expansión cósmica. Una de las mayores fuentes de incertidumbre han sido las distancias a las estrellas cercanas -distancias que los nuevos datos de paralaje parecen haber precisado.

En un artículo publicado en línea el 15 de diciembre y enviado a The Astrophysical Journal, el equipo de Riess ha utilizado los nuevos datos para fijar la tasa de expansión en 73,2 kilómetros por segundo por megaparsec, en línea con su valor anterior, pero ahora con un margen de error de sólo el 1,8 por ciento. Esto parece consolidar la discrepancia con la tasa predicha, mucho más baja, de 67.

Freedman y Madore esperan publicar la nueva y mejorada medición de la tasa de expansión cósmica de su grupo en enero. Ellos también esperan que los nuevos datos refuercen, en lugar de cambiar, su medición, que ha tendido a ser más baja que la de Riess y la de otros grupos, pero aún más alta que la predicción.

Desde que Gaia se lanzó en diciembre de 2013, ha publicado otros dos conjuntos de datos masivos que han revolucionado nuestra comprensión de nuestro vecindario cósmico. Sin embargo, las primeras mediciones de paralaje de Gaia fueron una decepción. «Cuando miramos la primera liberación de datos» en 2016, dijo Freedman, «queríamos llorar.»

Un problema imprevisto

Si los paralajes fueran más fáciles de medir, la revolución copernicana podría haber ocurrido antes.

Copérnico propuso en el siglo XVI que la Tierra giraba alrededor del sol. Pero incluso en esa época, los astrónomos conocían el paralaje. Si la Tierra se movía, como sostenía Copérnico, entonces esperaban ver que las estrellas cercanas se desplazaban en el cielo al hacerlo, al igual que una farola parece desplazarse con respecto a las colinas del fondo cuando se cruza la calle. El astrónomo Tycho Brahe no detectó ningún paralaje estelar de este tipo y, por tanto, concluyó que la Tierra no se mueve.

Y, sin embargo, sí lo hace, y las estrellas se desplazan, aunque apenas, porque están muy lejos.

Hubo que esperar hasta 1838 para que un astrónomo alemán llamado Friedrich Bessel detectara el paralaje estelar. Midiendo el desplazamiento angular del sistema estelar 61 Cygni con respecto a las estrellas circundantes, Bessel concluyó que estaba a 10,3 años luz de distancia. Su medición difería del valor real en sólo un 10 por ciento: las nuevas mediciones de Gaia sitúan a las dos estrellas del sistema a 11,4030 y 11,4026 años luz, más o menos una o dos milésimas de año luz.

El sistema 61 Cygni está excepcionalmente cerca. Las estrellas más típicas de la Vía Láctea se desplazan apenas diez milésimas de segundo de arco, apenas centésimas de píxel en la cámara de un telescopio moderno. La detección del movimiento requiere instrumentos especializados y ultraestables. Gaia fue diseñado para ello, pero cuando se encendió, el telescopio tuvo un problema imprevisto.

El telescopio funciona mirando en dos direcciones a la vez y rastreando las diferencias angulares entre las estrellas en sus dos campos de visión, explicó Lennart Lindegren, que co-propuso la misión Gaia en 1993 y dirigió el análisis de sus nuevos datos de paralaje. Una estimación precisa de la paralaje requiere que el ángulo entre los dos campos de visión se mantenga fijo. Pero al principio de la misión Gaia, los científicos descubrieron que no es así. El telescopio se flexiona ligeramente al girar con respecto al sol, introduciendo un bamboleo en sus mediciones que imita el paralaje. Y lo que es peor, este «desfase» del paralaje depende de forma complicada de la posición, el color y el brillo de los objetos.

Sin embargo, a medida que los datos se han ido acumulando, los científicos de Gaia han encontrado más fácil separar el falso paralaje del real. Lindegren y sus colegas consiguieron eliminar gran parte del bamboleo del telescopio de los datos de paralaje recién publicados, al tiempo que idearon una fórmula que los investigadores pueden utilizar para corregir las mediciones finales de paralaje en función de la posición, el color y el brillo de una estrella.

Escalando la escalera

Con los nuevos datos en la mano, Riess, Freedman y Madore y sus equipos han podido recalcular la tasa de expansión del universo. A grandes rasgos, la forma de medir la expansión cósmica consiste en averiguar a qué distancia se encuentran las galaxias lejanas y a qué velocidad se alejan de nosotros. Las mediciones de la velocidad son sencillas; las distancias son difíciles.

Las mediciones más precisas se basan en intrincadas «escaleras de distancia cósmica». El primer peldaño consiste en las estrellas «vela estándar» de nuestra galaxia y sus alrededores que tienen una luminosidad bien definida, y que están lo suficientemente cerca como para mostrar paralaje, la única forma segura de saber lo lejos que están las cosas sin viajar hasta allí. Los astrónomos comparan entonces el brillo de estas velas estándar con el de otras más débiles en galaxias cercanas para deducir sus distancias. Ese es el segundo peldaño de la escalera. El conocimiento de las distancias de estas galaxias, elegidas porque contienen explosiones estelares brillantes y poco frecuentes, llamadas supernovas de tipo 1a, permite a los cosmólogos calibrar las distancias relativas de galaxias más lejanas que contienen supernovas de tipo 1a más débiles. La relación entre las velocidades de estas galaxias lejanas y sus distancias da la tasa de expansión cósmica.

Los paralajes son, pues, cruciales para toda la construcción. «Si se cambia el primer paso -los paralajes-, todo lo que sigue también cambia», dijo Riess, que es uno de los líderes del enfoque de la escalera de distancias. «Si cambias la precisión del primer paso, entonces cambia la precisión de todo lo demás».

El equipo de Riess ha utilizado los nuevos paralajes de Gaia de 75 cefeidas -estrellas pulsantes que son sus velas estándar preferidas- para recalibrar su medición de la tasa de expansión cósmica.

Freedman y Madore, los principales rivales de Riess en la cima del juego de la escalera de distancias, han argumentado en los últimos años que las Cefeidas fomentan posibles errores en los peldaños superiores de la escalera. Así que, en lugar de apoyarse demasiado en ellas, su equipo está combinando mediciones basadas en múltiples tipos de estrellas de candela estándar del conjunto de datos de Gaia, incluyendo las Cefeidas, las estrellas RR Lyrae, las estrellas de punta de rama gigante y las llamadas estrellas de carbono.

«Gaia nos está proporcionando una base segura», dijo Madore. Aunque no se espera que el equipo de Madore y Freedman publique una serie de artículos hasta dentro de unas semanas, señalaron que los nuevos datos de paralaje y la fórmula de corrección parecen funcionar bien. Cuando se utilizan con varios métodos de trazado y disección de las mediciones, los puntos de datos que representan a las Cefeidas y otras estrellas especiales caen limpiamente a lo largo de líneas rectas, con muy poca de la «dispersión» que indicaría un error aleatorio.

«Nos está diciendo que estamos viendo realmente las cosas reales», dijo Madore.

Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia cubriendo los desarrollos de investigación y las tendencias en las matemáticas y las ciencias físicas y de la vida.

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