Cómo el universo dejó de hacer sentido

Estamos obteniendo 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 algunos ajustes sobre cómo miden las distancias a través del 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 no estén de acuerdo entre sí: medido de una manera, el universo parece estar expandiéndose a un cierto ritmo; medido de otra manera, el universo parece estar expandiéndose a un ritmo diferente. Y, como muestra un nuevo artículo, esas discrepancias se han incrementado en los últimos años, incluso cuando 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 papel.

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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): la radiación de microondas sobrante 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 tienen mucha confianza y que requerirían una física completamente nueva para romper. Y en conjunto, dijo Mack, producen un número razonablemente preciso para la constante del Hubble, o H0, que gobierna la rapidez con que el universo se está expandiendo actualmente.

La segunda medición utiliza supernovas y estrellas intermitentes en galaxias cercanas, conocidas como Cefeidas. Al evaluar 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 del 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, se trata realmente no solo de comprender la tasa de expansión actual del universo, que es algo que nos interesa, sino de comprender cómo ha evolucionado el universo, cómo ha evolucionado la expansión y qué ha estado haciendo todo el espacio-tiempo. hora.»

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Weikang Lin, también cosmólogo de 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 «restringir»: las mediciones en física rara vez presentan respuestas exactas. En cambio, ponen límites en el rango de posibles respuestas. Y al observar estas limitaciones juntos, puede aprender mucho sobre algo que está 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 decirte que se está moviendo por el cielo tan rápido como un planeta. Ninguna de esas limitaciones te diría mucho por su cuenta, pero en conjunto sugieren que estás mirando a Marte.

Lin, Mack y su tercer coautor, el estudiante graduado de NCSU Liqiang Hou, analizaron las limitaciones de dos constantes: H0, y algo llamado la «fracción masiva» del universo, denotado como Ωm, que le dice cuánto del universo es energía y cuánto es materia. Muchas mediciones de H0 también limitan Ωm, dijo Lin, por lo que es útil mirarlas juntas.

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Que produjo esta colorida trama:

El óvalo de magenta estirado etiquetado WMAP es el rango de posibles fracciones masivas y constantes de Hubble que solían ser posibles según un importante estudio pasado 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 calibradas con cefeida») se refiere a las mediciones de supernova cefeida, que no limitan la fracción de masa del universo, sino que limitan H0. La barra roja etiquetada SN P (abreviatura de «Panteón de supernovas tipo Ia») es una limitación importante en la fracción de masa del universo.

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 estuvieran dando respuestas diferentes, pero no tan significativas como para hacerlas incompatibles con un pequeño ajuste.

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

Ahora, escribieron los autores, surgen 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 qué tan rápido se expande el universo y cuánto está hecho de materia. Puedes ver que casi todas las formas en la trama pasan a través de ese círculo.

Pero la medición más directa, basada en estudiar realmente qué tan lejos están las cosas en nuestro universo local y qué tan rápido se mueven, no está de acuerdo. La medición de Cefeida está 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.

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«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. «Entonces es realmente agradable ver todo resumido. Enmarcarlo en términos de H0 y Ωm, que son parámetros fundamentales [del universo], es realmente aclarador.»

Aún así, Wechsler le dijo a Live Science, es importante no llegar a ninguna conclusión.

«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 mal 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, por lo que mi anterior es que tiene que haber pruebas bastante sólidas para convencerme.»

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

Es posible, dijo Mack, que el cálculo de supernovas-cefeidas sea simplemente incorrecto. Tal vez los físicos están midiendo las distancias en nuestro universo local mal, 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 sobre nuestras mediciones», dijo.

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

Las mediciones en curso podrían aclarar la contradicción, ya sea explicándola o intensificándola, lo que sugiere que es necesario un nuevo campo de la física. El Gran Telescopio de Encuesta Sinóptica, programado para entrar en funcionamiento en 2020, debería encontrar cientos de millones de supernovas, lo que debería mejorar enormemente los conjuntos de datos que los astrofísicos están utilizando para medir distancias entre galaxias. Finalmente, 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 ver cómo los objetos se expanden entre sí en tiempo real.

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

Fuente: https://www.livescience.com/hubble-constant-universe-expansion-not-make-sense.html

En este sentido, te invitamos a ver el siguiente video que explora en profundidad cómo el universo dejó de hacer sentido y las implicaciones de este cambio en nuestra percepción.