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La tensión de Hubble y polarización en el fondo cósmico

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.

Figura 1: La diferencia entre las mediciones de H0. La medición con estrellas variables Cefeidas (azul) es claramente más alta que la medición del CMB (negro). Entre ellas está una tercera medición hecha independientemente con estrellas gigantes rojas (rojo). Esta tercera medición no logra discernir entre SH0ES y Planck, pero es igualmente valiosa. (Crédito: Freedman et al. 2019)

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.

Figura 2: Esquina superior izquierda: representación artística del telescopio espacial Planck (Crédito: ESA) Esquina superior derecha: SPT (Crédito: Mike Lucibella/NSF) Abajo: ACT (Crédito: Debra Kellner)

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.

Figura 3: Análisis estadístico de la combinación de Planck (rojo), ACT (gris), y SPT (verde). El contorno azul en la última fila es valor combinado. La línea horizontal gris es muy cercana al valor de H0 de SH0ES. Aunque ese valor es aceptado por los tres telescopios separadamente, es desfavorecido en la combinación. (Figura 1 en el artículo original)

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!

Acerca de Felipe Maldonado

Estudiante de doctorado en Florida State University, Estados Unidos. Soy Chileno. Estoy interesado en la cosmología y difusión astronómica. Escribo para Astrobitos por que quiero desmitificar la astronomía y las ciencias exactas en general. Mi hobbies incluyen el cine, anime y Gunpla.

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