Veo doble: lentes gravitacionales y la expansión del Universo

Título del artículo original: Model-Independent Determination of H0 and ΩK,0 using Time-Delay Galaxy Lenses and Gamma-Ray Bursts.
Autores: Shen-Shi Du, Jun-Jie Wei, Zhi-Qiang You, Zu-Cheng Chen, Zong-Hong Zhu, y En-Wei Liang.
Institución del primer autor: Colegio de Física y Tecnología, Universidad de Wuhan, China.
Estado de la publicación: Aceptado para publicación en MNRAS, acceso abierto en arXiv.org.

El debate que nunca termina

Si les parece familiar el título, es por que no es primera vez que escribo acerca del gran debate de la cosmología de la actualidad: la expansión del Universo. La cosmología es el estudio del Universo a gran escala, su origen, sus contenidos, su historia, y su destino. Es la cosmología la disciplina encargada de descubrir los secretos del Big Bang, la inflación, la energía oscura, la materia oscura, la curvatura del Universo, y su destino final, entre otras cosas. Y hoy en día, no es exageración decir que la cosmología está viviendo una crisis científica. Como decíamos en artículos anteriores (éste y éste otro), estamos en medio de un debate que lleva literalmente más de un siglo. ¿Qué se está debatiendo? La expansión del Universo, qué tán rápida es, y por qué técnicas distintas dan valores distintos.

El debate moderno

Actualmente, el debate es entre dos grupos de investigadores que han medido la tasa de expansión del Universo, también conocida como la constante de Hubble, H₀, de dos maneras distintas. Por un lado, una medición es a través del Fondo de Radiación Cósmica, en otras palabras, luz antigua que ha quedado como una especie de fósil del Universo temprano y joven. Por otro lado, la otra medición se ha hecho con Supernovas tipo 1A, que funcionan como faros en la distancia y oscuridad del Universo lejano, también llamadas candelas estándar. Esta segunda medición es más enfocada en el Universo actual, o “viejo” por así decirlo. Los dos métodos encuentran valores cercanos de la constante de Hubble, pero difieren con 5σ de probabilidad. En otras palabras, estos dos resultados son distintos con una probabilidad superior al 99%. ¿Por qué? Ambos están midiendo la misma cosa, así que no está claro por qué están en desacuerdo. Quizás una o las dos mediciones son incorrectas, quizás hay efectos sistemáticos que no entendemos, o quizás ambos están en lo correcto y es nuestra teoría cosmológica la que está errónea. Muchas otras mediciones se están llevando a cabo para poder discernir entre estas posibilidades, por ejemplo con estrellas gigantes rojas, con ráfagas rápidas de radio, y, en el caso de los autores del artículo de hoy, con lentes gravitacionales.

Veo doble: ¡cuatro cuásares!

Los autores del artículo de hoy aportan al gran debate con una medición completamente independiente a las previas. Ellos estiman la constante de Hubble con una técnica basada en lentes gravitacionales. En la teoría de relatividad general de Einstein, la potente gravedad de objetos muy grandes, como galaxias, puede doblar la luz y cambiar su trayectoria, a veces permitiéndonos observar cosas que no podríamos ver de otra manera. En el ejemplo en la Figura 1, podemos ver un caso extremo: ¡los cuatro objetos alrededor del objeto central son todos copias del mismo cuásar! El objeto central es una galaxia. El cuásar, o una galaxia con un núcleo activo, está increíblemente más lejos que la galaxia “lente” en el centro de la imagen. Si la alineación entre el cuásar, la galaxia y la Tierra es muy buena, a veces podemos observar más de una imagen o incluso un anillo de Einstein. Esta configuración es, sin exageración, literalmente astronómicamente rara, pero el Universo observable es tan grande y hay tantas galaxias que a veces ocurre. En el caso de la Figura 1, las cuatro imágenes del mismo cuásar no llegan al mismo tiempo: algunas de ellas tienen un trayecto ligeramente más largo, pero todas se mueven a la velocidad de la luz. Esto nos permite poner límites a la expansión del Universo y la constante de Hubble, y esto es totalmente independiente de la teoría cosmológica vigente y de las mediciones hechas por los otros equipos de investigación.

Lo que aprendimos de los lentes gravitacionales

Los autores utilizaron los lentes gravitacionales para medir la constante de Hubble y una cosa más: la curvatura del Universo. El Universo puede ser plano, positivamente curvo (como una esfera) o negativamente curvo (como una silla de montar). A su vez, la curvatura determina el destino final del Universo: si el Universo es positivamente curvo, eventualmente dejará de expandirse y colapsará sobre sí mismo, popularmente llamado Big Crunch. Si el Universo es negativamente curvo, se expandirá más y más rápido y se volverá frío y oscuro rápidamente, un escenario usualmente conocido como el Big Rip. Finalmente, si el Universo es plano, la expansión se detendrá después de una cantidad infinita de tiempo, y se volverá frío y oscuro lentamente en un caso llamado la Muerte térmica del Universo. Una medición precisa de la curvatura del Universo es por lo tanto, absolutamente crucial.

Los autores usan Supernovas tipo 1A (muerte de estrellas viejas), cuásares, y brotes de rayos gamma, los eventos más energéticos del Universo, para hacer su medición. Tienen 6 cuásares observados dos o más veces a través de lentes gravitacionales como decíamos anteriormente.

El hecho de que las trayectorias de las imágenes múltiples de los lentes gravitacionales son ligeramente distintas, implica que se deben demorar cantidades distintas de tiempo en llegar a nosotros. Los autores observan las diferencias, que son del orden de días, y producen una medición de la tasa de expansión del Universo, para comparar con los otros grupos de investigación. El resultado se puede ver en la Figura 3. Encuentran que su valor de H₀, la constante de Hubble, es más cercana a las mediciones del Universo viejo que a las del Universo joven. Las barras de error en la Figura 3 son lo suficientemente pequeñas, en todos menos uno de los casos, para discernir entre los dos principales contendores del debate. Sin embargo, las barras de error de este estudio son más grandes que las del Universo joven o viejo.

También entregan una medición de la curvatura del Universo, y encuentran que el Universo es plano, dentro de las barras de error. Esta medición está en pleno acuerdo con mediciones anteriores del Fondo Cósmico de Radiación, y sugiere que el destino final del Universo es la Muerte térmica. Aunque el debate está lejos de ser zanjado, los autores aportan valiosa información al debate. ¡Todavía nos queda mucho debate, nuestro trabajo no ha terminado!