Desempolvando la constante de Hubble

Título: The Hubble Tension Bites the Dust: Sensitivity of the Hubble Constant Determination to Cepheid Color Calibration

Autores: Edvard Mörtsell, Ariel Goodbar, Joel Johansson, Schail Dhawan

Institución del primero autor: Oskar Klem Centre, Departamente de física de la Universidad de Estocolmo.

Estado: Enviado a arXiv [Acceso abierto]

Astrobite original:  Let’s Dust off the Hubble Constant por Kayla Kornoelje

La constante de Hubble (H₀), que se utiliza para describir la tasa de expansión del Universo, se puede encontrar en todos los rincones del campo de la cosmología. Nos ayuda con todo, desde determinar la edad del Universo hasta a probar los modelos cosmológicos teóricos. ¡Qué superestrella! Pero recientemente, la constante de Hubble ha comenzado a ganar reputación como causante de problemas por una razón crucial: los métodos independientes utilizados para calcular la constante de Hubble producen resultados muy diferentes (Figura 1). Una de las mayores diferencias proviene del valor de la constante de Hubble medida de la supernova Tipo Ia (SNIa), la cual produce un valor de H₀ = 73.2 ± 1.3, y el fondo cósmico de radiación (por sus siglas en inglés de CMB) con un valor de H₀ = 67.4 ± 0.5 —  una diferencia en desviación estándar de 4.1! Esta diferencia tan grande tiene a los astrónomos rascándose la cabeza: ¿están los astrónomos simplemente midiendo mal el tamaño del Universo, o posiblemente hay una nueva física fundamental en juego aquí esperando ser descubierta? Ya que estos valores deberían ser idénticos en teoría, la diferencia extrema entre ambos ha puesto de nervios a la comunidad astronómica y ha iniciado una carrera para resolver esta tensión de Hubble.

 

Investigando la constante de Hubble con SNIa

Entonces, ¿cuál es la causa del problema? Bueno, primero analicemos el método SNIa utilizado para calcular la constante de Hubble. De acuerdo con la engañosamente simple ley de Hubble, los dos ingredientes que necesitamos para estimar la constante de Hubble son la velocidad a la que una supernova se aleja de nosotros y su distancia. Así, los astrónomos pueden medir como la velocidad de alejamiento incrementa con la distancia para calcular la constante de Hubble (nota del traductor). El primer valor clave, la velocidad de una supernova, se puede encontrar calculando su corrimiento al rojo, ya que sabemos cómo debería ser el espectro de luz de una SNIa. Para encontrar su distancia, los astrónomos confían en una herramienta conocida como la escalera de distancia cósmica. Básicamente, los astrónomos confían en las mediciones de las distancias a los objetos cercanos, y luego usan estas medidas para subir los escalones de la escalera cósmica para hacer mediciones de objetos cada vez más distantes. Uno de esos escalones proviene de las distancias a las estrellas Cefeidas variables. La medición de estas distancias se basa en cálculos precisos de sus magnitudes, que se pueden encontrar a través de su relación color-luminosidad. Entonces, para medir las distancias a las supernovas, los astrónomos dependen indirectamente de estos cálculos de distancias a las Cefeidas.

Resulta que la actual relación color-luminosidad puede tener un defecto fatal: asume que existe una relación universal color-luminosidad para cada Cefeida. Pero, ¿por qué esta condición resultó ser una simplificación posiblemente desastrosa? Bueno, como las Cefeidas viven en hogares polvorientos conocidos como galaxias, el polvo galáctico puede absorber la luz de una Cefeida y enrojece su color, afectado la distancia de las Cefeidas. Estudios previos han demostrado que incluso dentro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, el enrojecimiento galáctico varía ampliamente de un lugar a otro. Si los astrónomos accidentalmente corrigen por el exceso la extinción debido al polvo, la escala de distancia local cambiará y, por lo tanto, el valor inferido de la constante de Hubble también cambiará. Entonces, los autores del artículo de hoy decidieron probar si la tensión por la contante de Hubble podría resolverse jugando con la relación color-luminosidad. Para hacer esto, se basaron en datos para derivar una relación específica para cada galaxia individualmente.

Mientras que varios métodos fueron explorados, un de particular interés fue basado en las llamadas magnitudes de Wesenheit. Esta técnica fue utilizada para corregir el color de las Cefeidas considerando la extinción de polvo y su color intrínseco. Después de que las correcciones se hicieron, se encontraron nuevos valores de las contantes de Hubble. La calibración de la constante de Hubble utilizando el método Wesenheit reduce la discrepancia entre las mediciones de la constante de Hubble a solo dos desviaciones estándar de diferencia. ¡Impresionante! ¡Lo puedes ver por ti mismo en la Figura 2!

Entonces, ¿significa esto que la tensión sobre las mediciones de Hubble está resuelta? No exactamente. Como hemos visto, el valor SNIa de la constante de Hubble depende directamente de una escalera de distancia cósmica bien calibrada. Sin embargo, las mediciones imprecisas de las magnitudes de las Cefeidas pueden haber hecho que nuestra escala de distancias sea menos confiable de lo que lo que creía originalmente. Mediante un pequeño ajuste fino de estas magnitudes teniendo en cuenta cosas como la absorción de polvo y las variaciones intrínsecas de color, los autores pudieron reducir la brecha entre la constante de Hubble medida por SNIa y el CMB. Si bien aún se necesita más investigación, la exploración del error potencial en la escala de distancias a partir de estas magnitudes Cefeidas, es una nueva vía prometedora para que los cosmólogos estudien y finalmente resuelvan la tensión sobre las mediciones de la constante de Hubble. Quién sabe, ¡quizás todo lo que necesitaba la constante de Hubble era desempolvarla un poco!

 

Imagen de portada: NASA, ESA, Hubble Heritage Team