La tensión de Hubble y polarización en el fondo cósmico

• Título del artículo original: High H0 Values from CMB E-mode Data: A Clue for Resolving the Hubble Tension?
• Autores: Graeme E. Addison.
• Institución del primer autor: Departamento de Física y Astronomía, Universidad Johns Hopkins, EE.UU.
• Estado de la publicación: Propuesto a ApJL, acceso abierto en arXiv.

Un debate que nunca termina

La cosmología es una rama de la astronomía, encargada del estudio del Universo, su origen, contenidos y destino. Es una disciplina tan antigua como la misma humanidad. Quizás el primer gran debate en el ámbito de la cosmología fue entre Galileo y la Inquisición, acerca de si la Tierra gira en torno al Sol o no. Galileo fue forzado a retractar su teoría (propuesta 100 años antes por Copérnico), pero dicen los rumores que Galileo luego murmuró su famosa frase, “¡Y sin embargo, se mueve!”. Junto con el método científico de Galileo, la cosmología ha evolucionado drásticamente desde aquellos remotos orígenes.

El siguiente gran debate ocurrió en 1920 entre Harlow Shapley y Heber Doust Curtis, hace ya más de cien años, y fue relativamente similar al primero en lo que se estaba discutiendo. Shapley argumentaba que la Vía Láctea era todo el Universo, y Curtis proponía que la Vía Láctea era sólo una pequeña parte de él. En aquellos tiempos, no se sabía si las “nebulosas espirales”, un nombre arcaico para lo que hoy en día llamamos galaxias, eran pequeñas y cercanas (la opinión de Shapley), o enormes y lejanas (según Curtis). El debate finalmente fue zanjado categóricamente por Edwin Hubble, quien, en 1929, descubrió estrellas variables en las “nebulosas espirales”, y logró determinar a qué distancia están. Encontró que están extraordinariamente lejos, dándole la razón a Curtis. Pero eso no es todo lo que Hubble descubrió: también halló que las galaxias se están alejando de nosotros. Hubble había descubierto la expansión del Universo. Hubble notó que la velocidad con que se alejan es aproximadamente proporcional a cuán lejos están. Ésta relación lineal entre distancia y velocidad llegó a ser llamada la Ley de Hubble, y la constante de proporcionalidad H₀ la constante de Hubble. Ésta constante representa cuán rápido se está expandiendo el Universo, un dato absolutamente crucial para la cosmología.

Edwin Hubble estimó que el valor de la constante que hoy lleva su nombre es ~530 kilómetros por segundo por megaparsec. Es necesario introducir y explicar las unidades para entender la relevancia de esta constante. La Ley de Hubble estipula que entre más distante un objeto, más rápido se aleja. El valor de 530 km/s/Mpc significa que por cada megaparsec de distancia entre nosotros y una galaxia (1 megaparsec = ~3.2 millones de años luz), ella se movería 530 km/s más rápido. El valor de la constante H₀ que Hubble midió resultó ser 5-10 veces muy alto, debido a problemas con las estrellas variables que usó y otros motivos. Datos más precisos lograron producir mejores estimaciones de H₀, y eventualmente el gran debate comenzó de nuevo. Ésta vez, la discusión fue entre Allan Sandage y Gérard de Vaucouleurs, acerca del valor preciso de H₀. Sandage argumentaba que H₀ tiene un valor cercano a 50-60 km/s/Mpc, y de Vaucouleurs proponía un valor semejante a 100 km/s/Mpc. El debate continuó entre los años 60 y los 90, hasta que finalmente fue resuelto por el telescopio espacial Hubble en el año 2000, que encontró un valor de H₀ = 72 ± 8 km/s/Mpc, más cercano al valor de Sandage.

Y ahora, más de 100 años desde que el debate comenzó por primera vez, ha vuelto a surgir. Como Batman y el Guasón, quizás estamos destinados a hacer esto para siempre.

El debate moderno

Hoy en día, la discrepancia es entre dos valores de H₀ determinados de dos maneras completamente distintas. Por un lado, el equipo SH0ES (H₀ y supernova para la equación de estado de energía oscura, por sus siglas en inglés), han medido H₀ en el Universo local usando estrellas variables (Cefeidas) en galaxias relativamente cercanas con el telescopio espacial Hubble (¡no es por nada que así se llama el telescopio!). El valor que ellos encuentran es H₀ = 73.2 ± 1.3 km/s/Mpc. Por otro lado, el telescopio espacial Planck, que observa el CMB (fondo cósmico de radiación, por sus siglas en inglés), combinado con datos de supernovas tipo 1A y galaxias, muestran una medición de H₀ = 67.61 ± 0.44 km/s/Mpc. Estos dos valores son bastante cercanos, pero las barras de error son muy pequeñas. De hecho, la diferencia entre ellos es significativa, lo suficiente para tener que aceptar que no es tan sólo producto del azar. La Figura 1 muestra la diferencia en las mediciones a través de los años.

La polarización en el CMB

El artículo de hoy investiga si los datos de polarización del CMB pueden aliviar la tensión entre SH0ES y Planck, o no. La radiación que nos llega desde el fondo cósmico tiene una pequeña cantidad de polarización. Esto significa que los minúsculos campos eléctricos y magnéticos que esa radiación trae, están ligeramente alineados. Por ejemplo, las pantallas de computador a menudo producen luz polarizada. Intente ponerse lentes de sol y mire a su pantalla. Si gira su cabeza, hay un ángulo en que será imposible leer la pantalla. Usted acaba de observar polarización con sus propios ojos.

Tenemos predicciones teóricas muy precisas de las propiedades estadísticas de la polarización del CMB. Usando datos de polarización, varios telescopios han obtenido mediciones de la constante de Hubble, y, sorprendentemente, ellos son más cercanos al valor de SH0ES que al de Planck. El artículo se concentra en tres de los más importantes: Planck, ACT (telescopio cosmológico de Atacama, por sus siglas en inglés) y SPT (telescopio del polo sur, en inglés). Estos telescopios están ilustrados en la Figura 2.

Usando datos de polarización exclusivamente, estos tres telescopios producen las siguientes tres mediciones de H₀: Planck reporta H₀ = 70 ± 2.7, ACT entrega 72.4^+3.9 _-4.8 y SPT reporta 73.1^+3.3_-3.9 km/s/Mpc. Debemos aclarar que este valor de H₀ = 70 ± 2.7 km/s/Mpc reportado por Planck es distinto al que mencionamos originalmente, de H₀ = 67.61 ± 0.44 km/s/Mpc. La diferencia es que el original es una combinación de datos de temperatura, polarización, supernovas tipo 1A, y galaxias, mientras que este nuevo resultado, un poco más alto, fue obtenido exclusivamente con polarización.

Estos tres valores, obtenidos usando polarización exclusivamente, son más cercanos a SH0ES que a Planck.

En el artículo, se lleva acabo un análisis estadístico conjunto de los datos de polarización de Planck, ACT y SPT. La idea es verificar si la tendencia a valores altos de H₀ se mantiene. Una vez hecho el análisis, el resultado fue que la tendencia desaparece. El resultado fue H₀ = 68.7 ± 1.3 km/s/Mpc, en pleno acuerdo con el valor original de Planck. Los resultados del artículo están resumidos en la Figura 3.

El resultado es muy sorprendente, y puede ser alentador o desalentador dependiendo de cómo se mire. Lo bueno es que los datos del CMB son completamente consistentes internamente. Lo malo es que aún no logramos explicar la tensión entre el CMB y SH0ES. Pero así es la ciencia. ¡El misterio aún no se acaba!