Las lentes gravitacionales de Einstein podrían aclarar el debate sobre el cosmos en expansión

septiembre 12, 2019

Urdimbres en la tela del espacioel tiempo puede actuar como lupas, y eso puede ayudar a resolver un misterio cósmico sobre la tasa de expansión del universo, según un nuevo estudio.

Esta investigación podría algún día conducir a modelos más precisos del cosmos, que podrían arrojar luz sobre el destino final del universo, dijeron los investigadores.

El universo ha seguido expandiéndose desde su nacimiento, hace unos 13.800 millones de años. Al medir la tasa actual de expansión cósmica, conocida como la Constante del Hubble, los científicos pueden intentar aprender el destino del universo, como si se expandirá para siempre, colapsará sobre sí mismo o se desgarrará por completo.

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Actualmente hay dos estrategias principales para medir la constante de Hubble. Uno implica monitorear objetos cercanos cuyas propiedades los científicos entienden bien, como las explosiones estelares conocidas como supernovas y estrellas pulsantes conocidas como Variables cefeidas, para estimar sus distancias. El otro se centra en el fondo cósmico de microondas, la radiación sobrante del Big Bang, examinando cómo ha cambiado con el tiempo.

Sin embargo, este par de técnicas ha producido dos resultados diferentes para el valor de la constante de Hubble. Los datos del fondo cósmico de microondas sugieren que el universo se está expandiendo a una velocidad de aproximadamente 41.9 millas (67.5 kilómetros) por segundo por megaparsec (una distancia equivalente a 3.26 millones de años luz). Sin embargo, los datos de supernovas y cefeidas en el universo cercano sugieren una tasa de aproximadamente 46 millas (74 km) por segundo por megaparsec.

Esta discrepancia sugiere que el modelo cosmológico estándar, la comprensión actual de los científicos de la estructura y la historia del universo, podría estar equivocado. Resolviendo este debate, conocido como el conflicto constante de Hubble, podría arrojar luz sobre la evolución del cosmos.

En el nuevo estudio, un equipo internacional de investigadores exploró otra forma de medir la constante de Hubble. Esta estrategia depende de la definición de gravedad, de acuerdo con La teoría de la relatividad general de Albert Einstein, como resultado de la distorsión masiva del espacio-tiempo. Cuanto mayor es la masa de un objeto, más curvas de espacio-tiempo alrededor del objeto, y por lo tanto, más fuerte es la atracción gravitacional del objeto.

Eso significa que la gravedad también puede doblar la luz como lo haría una lente, por lo que los objetos vistos a través de potentes campos gravitacionales, como los producidos por galaxias masivas, se magnifican. Lentes gravitacionales fue descubierto hace un siglo, y hoy en día, los astrónomos a menudo usan estas lentes para ver características que de otro modo serían demasiado distantes y débiles para detectar incluso con los telescopios más grandes.

La nueva investigación analiza lentes gravitacionales para estimar sus distancias de la Tierra, datos que podrían ayudar a los investigadores a estimar la velocidad a la que el universo se ha expandido con el tiempo.

Las lentes gravitacionales ocurren cuando la luz de una galaxia o cuásar más distante es deformada por la gravedad de un objeto más cercano en la línea de visión desde la Tierra, como se muestra en este diagrama.

(Crédito de la imagen: ESA / Hubble / NASA)

"El nuevo método tiene un gran potencial para proporcionar una perspectiva única en la medición de la constante de Hubble", dijo a Space.com la autora principal del estudio, Inh Jee, ex astrofísica del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania.

Una clave para estimar la distancia de una lente gravitacional desde la Tierra depende de una característica extraña de la lente gravitacional: a menudo produce múltiples imágenes de objetos con lentes que rodean la lente, lo que da como resultado el llamado "Cruz de Einstein"Debido a que la luz que crea estas imágenes toma rutas de diferentes longitudes alrededor de la lente, cualquier variación en el brillo de un objeto con lente será visible en algunas de las imágenes antes que en las demás. Cuanto mayor sea la masa de la lente, mayor será el flexión de la luz y, por lo tanto, cuanto mayor sea la diferencia de tiempo entre las observaciones de las imágenes, los científicos pueden usar estos detalles para estimar la fuerza del campo gravitacional de la lente y, por lo tanto, su masa.

Esa masa puede alimentar los cálculos utilizados para estimar la distancia. Pero los científicos primero necesitan una medida clave adicional.

Esta imagen del telescopio espacial Hubble, conocida como la "Cruz de Einstein", muestra cuatro imágenes de un quásar distante que se ha multiplicado por una galaxia cercana que actúa como una lente gravitacional.

(Crédito de la imagen: NASA / ESA / STSci)

La otra clave para estimar la distancia de una galaxia de lente gravitacional desde la Tierra implica analizar las posiciones y velocidades de las estrellas dentro de la lente. Cuando estos detalles se combinan con estimaciones de la masa y la fuerza del campo gravitacional de la galaxia con lente, los científicos pueden estimar el diámetro real de la galaxia con lente.

Luego pueden comparar el diámetro real de una galaxia con lentes con su diámetro aparente visto desde la Tierra. La diferencia entre estos valores puede ayudar a los investigadores a estimar qué tan lejos debe estar una galaxia de un tamaño determinado para que parezca el tamaño que lo hace desde la Tierra.

Los investigadores aplicaron esta técnica a dos sistemas de lentes gravitacionales. En sus resultados, los científicos alcanzaron una constante de Hubble con un valor de aproximadamente 51.2 millas (82.4 km) por segundo por megaparsec. Aunque este valor es más alto que los dos valores más establecidos para la constante de Hubble, Jee señaló que todavía hay altos niveles de incertidumbre con este método. Con más datos que conducen a una mayor certeza, esta técnica podría terminar favoreciendo uno u otro valor establecido, o podría conducir a un tercer valor diferente, dijo.

"Dado que este es un método nuevo con grandes incertidumbres, tenemos mucho espacio para mejorar la medición", dijo Jee. "Para que el método proporcione un nivel competitivo de precisión a otros métodos, necesitamos mejores mediciones de los movimientos de las estrellas en las galaxias de lentes".

Esta nueva técnica ofrece una ventaja potencial en comparación con las estrategias que buscan medir la constante de Hubble basada en el fondo cósmico de microondas: esta última se basa en gran medida en uno de varios modelos cosmológicos competitivos utilizados para predecir la evolución del universo a lo largo del tiempo, mientras que este nuevo método no, dijo Jee. En comparación con las estrategias que buscan medir la constante de Hubble basada en supernovas cercanas y variables cefeidas, este método ofrece otra ventaja: en esas estrategias, las mediciones de distancias a objetos cercanos pueden estar desactivadas si el entorno cercano difiere significativamente del universo más distante, ella añadió.

"Tendremos docenas de nuevos sistemas de lentes en el futuro cercano que nos permitirán reducir sustancialmente nuestra incertidumbre de medición", dijo a Space.com la coautora del estudio, Sherry Suyu, del Instituto Max Planck de Astrofísica.

Jee, Suyu y sus colegas detallan sus hallazgos en la edición del 13 de septiembre de la revista Science.

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