Cómo el universo dejó de tener sentido

octubre 11, 2019

Estamos haciendo algo mal sobre el universo.

Puede ser algo pequeño: un problema de medición que hace que ciertas estrellas se vean más cerca o más lejos de lo que están, algo que los astrofísicos podrían solucionar con unos pocos ajustes en cómo miden las distancias en el espacio. Puede ser algo grande: un error, o una serie de errores, en cosmología, o nuestra comprensión del origen y la evolución del universo. Si ese es el caso, toda nuestra historia de espacio y tiempo puede estar en mal estado. Pero sea cual sea el problema, está haciendo que las observaciones clave del universo estén en desacuerdo entre sí: medido de una manera, el universo parece ser expandiéndose a cierto ritmo; medido de otra manera, el universo parece ser en expansión a un ritmo diferente. Y, como muestra un nuevo artículo, esas discrepancias han aumentado en los últimos años, incluso a medida que las mediciones se han vuelto más precisas.

"Creemos que si nuestra comprensión de la cosmología es correcta, entonces todas estas mediciones diferentes deberían darnos la misma respuesta", dijo Katie Mack, cosmóloga teórica de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU) y coautora del nuevo artículo. .

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Las dos medidas más famosas funcionan de manera muy diferente entre sí. El primero se basa en el Fondo cósmico de microondas (CMB): los restos de radiación de microondas de los primeros momentos después del Big Bang. Los cosmólogos han construido modelos teóricos de toda la historia del universo sobre una base CMB, modelos en los que confían mucho y que requerirían una física completamente nueva para romperse. Y tomados en conjunto, dijo Mack, producen un número razonablemente preciso para la constante de Hubble, o H0, que gobierna qué tan rápido se está expandiendo actualmente el universo.

La segunda medida usa supernovas y estrellas centelleantes en galaxias cercanas, conocidas como cefeidas. Al medir qué tan lejos están esas galaxias de las nuestras y qué tan rápido se están alejando de nosotros, los astrónomos han obtenido lo que creen que es una medición muy precisa de la constante de Hubble. Y ese método ofrece un H0 diferente.

"Si estamos obteniendo respuestas diferentes, eso significa que hay algo que no sabemos", dijo Mack a Live Science. "Entonces, esto se trata realmente no solo de comprender la tasa de expansión actual del universo, que es algo en lo que estamos interesados, sino de comprender cómo ha evolucionado el universo, cómo ha evolucionado la expansión y qué ha estado haciendo todo el espacio-tiempo hora."

Weikang Lin, también cosmólogo en NCSU y autor principal del artículo, dijo que para desarrollar una imagen completa del problema, el equipo decidió reunir todas las diferentes formas de "restringir" H0 en un solo lugar. El documento aún no ha sido revisado o publicado formalmente por pares, y está disponible en el servidor de preimpresión arXiv.

Esto es lo que significa "restricción": mediciones en física rara vez aparecen respuestas exactas. En cambio, ponen límites al rango de posibles respuestas. Y al observar estas restricciones juntos, puedes aprender mucho sobre algo que estás estudiando. Mirando a través de un telescopio, por ejemplo, puede aprender que un punto de luz en el espacio es rojo, amarillo o naranja. Otro podría decirle que es más brillante que la mayoría de las otras luces en el espacio, pero menos brillante que el sol. Otro podría decirle que se mueve por el cielo tan rápido como un planeta. Ninguna de esas restricciones te diría mucho por sí sola, pero en conjunto sugieren estás mirando a Marte.

Lin, Mack y su tercer coautor, el estudiante graduado de NCSU Liqiang Hou, observaron las restricciones en dos constantes: H0, y algo llamado la "fracción de masa" del universo, denotada como Ωm, que te dice cuánto del universo es energía y cuánto es materia. Muchas mediciones de H0 también restringen Ωm, dijo Lin, por lo que es útil mirarlas juntas.

Eso produjo esta trama colorida:

La gráfica central en el documento muestra que la mayoría de las mediciones de la constante de Hubble y la fracción de masa apuntan a un rango de números, pero la medición de la supernova cefeida (barra amarilla) apunta a un rango diferente de números.

(Crédito de la imagen: Weikang Lin, Katherine J. Mack y Liqiang Hou)

El óvalo magenta estirado etiquetado como WMAP es el rango de posibles fracciones de masa y constantes de Hubble que solía ser posible en base a un importante estudio anterior de la NASA del CMB, conocido como la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson. La columna amarilla etiquetada CV SN (abreviatura de "Supernovas de tipo Ia calibrada con cefeida") se refiere a la cefeida.supernova mediciones, que no limitan la fracción de masa del universo, pero sí restringen H0. La barra roja etiquetada SN P (abreviatura de "Tipo-Ia Supernovae Pantheon") es una limitación importante en la fracción de masa del universo.

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Puede ver que los bordes de WMAP y CV SN se superponen, principalmente fuera de la barra roja. Esa fue la imagen de la discrepancia hace unos años, dijo Mack: lo suficientemente significativo como para preocuparse de que las dos mediciones arrojaran respuestas diferentes, pero no tan significativas como para hacerlas incompatibles con un pequeño ajuste.

Pero en los últimos años ha habido una nueva medición del CMB de un grupo llamado Planck Collaboration. La Colaboración de Planck, que lanzó su último conjunto de datos en 2018, impuso restricciones muy estrictas sobre la fracción de masa y la tasa de expansión del universo, denotado por la astilla negra en la trama denominada Planck.

Ahora, escribieron los autores, emergen dos imágenes muy diferentes del universo. Planck y WMAP, junto con una gama de otros enfoques para restringir H0 y Ωm, son todos más o menos compatibles. Hay un lugar en la trama, en el círculo de guiones blancos, donde todos permiten respuestas similares sobre la rapidez con la que el universo se expande y la cantidad de materia que contiene. Puedes ver que casi todas las formas en la trama pasan a través de ese círculo.

Pero la medida más directa, basada en el estudio de qué tan lejos están las cosas en nuestro universo local y qué tan rápido se mueven, no está de acuerdo. La medición de Cefeida se encuentra a la derecha, y ni siquiera sus barras de error (los débiles bits amarillos, que indican el rango de valores probables) pasan a través del círculo discontinuo. Y eso es un problema.

"Ha habido mucha actividad en esta área solo en los últimos meses", dijo Risa Wechsler, cosmóloga de la Universidad de Stanford que no participó en este documento. "Así que es realmente agradable ver todo resumido. Enmarcándolo en términos de H0 y Ωm, que son parámetros fundamentales [of the universe], es realmente esclarecedor ".

Aún así, Wechsler le dijo a Live Science que es importante no sacar conclusiones precipitadas.

"La gente está entusiasmada con esto porque podría significar que hay una nueva física, y eso sería realmente emocionante", dijo.

Es posible que el modelo CMB esté equivocado de alguna manera, y eso está llevando a algún tipo de error sistemático en la forma en que los físicos entienden el universo.

"A todos les encantaría eso. A los físicos les encanta romper sus modelos", Dijo Wechsler." Pero este modelo funciona bastante bien hasta ahora, así que mi prioridad es que tiene que haber pruebas bastante sólidas para convencerme ".

El estudio muestra que sería difícil hacer coincidir la medición de Cefeidas del universo local con todas las demás introduciendo solo una nueva pieza de física, dijo Mack.

Es posible, dijo Mack, que el cálculo de supernovas-cefeidas sea incorrecto. Tal vez los físicos están midiendo mal las distancias en nuestro universo local, y eso está llevando a un error de cálculo. Sin embargo, es difícil imaginar cuál sería ese error de cálculo, dijo. Muchos astrofísicos han medido distancias locales desde cero y han obtenido resultados similares. Una posibilidad que plantearon los autores es que vivimos en una parte extraña del universo donde hay menos galaxias y menos gravedad, por lo que nuestro vecindario se está expandiendo más rápido que el universo en su conjunto.

La respuesta al problema, dijo, podría estar a la vuelta de la esquina. Pero lo más probable es que estén a años o décadas de distancia.

"Es algo nuevo en el universo o es algo que no entendemos acerca de nuestras mediciones", dijo.

Wechsler dijo que apostaría por lo último: que probablemente haya algo que no esté del todo bien en las barras de error en torno a algunas de las mediciones involucradas, y que una vez que se resuelvan, la imagen se ajustará mejor.

Las próximas mediciones podrían aclarar la contradicción, ya sea explicándola o intensificándola, sugiriendo que es necesario un nuevo campo de la física. los Gran telescopio de estudio sinóptico, programado para entrar en línea en 2020, debería encontrar cientos de millones de supernovas, lo que debería mejorar enormemente los conjuntos de datos que los astrofísicos están usando para medir distancias entre galaxias. Eventualmente, dijo Mack, los estudios de ondas gravitacionales también serán lo suficientemente buenos como para restringir la expansión del universo, lo que debería agregar otro nivel de precisión a la cosmología. En el futuro, dijo, los físicos podrían incluso desarrollar instrumentos lo suficientemente sensibles como para observar cómo los objetos se expanden en tiempo real.

Pero por el momento, los cosmólogos todavía esperan y se preguntan por qué sus mediciones del universo no tienen sentido juntas.

Publicado originalmente en Ciencia viva.

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(Crédito de la imagen: Future plc)

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