La constante de Hubble: orígenes y evolución del universo

La constante de Hubble es uno de los números más importantes en cosmología porque nos dice qué tan rápido se está expandiendo el universo, lo que puede usarse para determinar la edad del universo y su historia. Recibe su nombre de Edwin Hubble, quien fue el primero en calcular la constante a partir de sus mediciones de estrellas en 1929.

A pesar de casi cien años de mediciones y cálculos astronómicos, los científicos todavía no pueden ponerse de acuerdo sobre el valor exacto de la constante de Hubble. El número real podría revelar piezas faltantes en nuestra comprensión de la física, como nuevas partículas o una nueva forma de energía oscura.

¿Qué es la constante de Hubble?

Averiguar el verdadero valor de la constante de Hubble es uno de los mayores desafíos de la astronomía moderna y podría revolucionar nuestra comprensión del universo, por lo que los científicos de muchas instituciones de todo el mundo están tratando de precisar el número utilizando múltiples métodos.

Para un objeto astronómico (por ejemplo, una estrella o una galaxia) a una distancia conocida de la Tierra, la constante de Hubble se puede utilizar para predecir a qué velocidad debería alejarse de nosotros.

Sin embargo, el verdadero valor de la constante de Hubble sigue siendo objeto de debate. Según la física fundamental que los científicos creen que ha impulsado la evolución del universo, la constante de Hubble debería ser de alrededor de 68 km/s/Mpc, pero esto no coincide con las observaciones de las estrellas y galaxias que los astrónomos ven a nuestro alrededor. La astrónoma de la Universidad de Chicago, Wendy Freedman, dirigió un equipo que realizó una medición histórica en 2001, que encontró un valor de 72. Las mediciones precisas más recientes de las distancias y movimientos de estrellas distantes en explosión sugieren una constante de Hubble de 69.8 km/s/Mpc, pero otros informes han elevado el valor hasta 74 km/s/Mpc.

Aunque estas diferencias parecen pequeñas, incluso una discrepancia de 2 km/s/Mpc entre las predicciones de la física y las observaciones implica que podría faltar algo importante en nuestra actual comprensión del universo.

¿Cómo se descubrió la constante de Hubble?

A principios de la década de 1920, los matemáticos utilizaron las ecuaciones de Albert Einstein de relatividad general para predecir que el universo debería expandirse, pero los científicos aún no lo habían demostrado mediante observaciones. En ese momento, los astrónomos ni siquiera tenían las observaciones necesarias para resolver el Gran Debate sobre el tamaño del universo; algunos incluso argumentaron que el universo no se extendía más allá de la Vía Láctea.

Edwin Hubble entró en el mundo de la astronomía en este momento apasionante. Se graduó en la Universidad de Chicago en 1910 con una licenciatura en matemáticas, física y filosofía, y luego regresó al Observatorio Yerkes de la Universidad de Chicago como estudiante de posgrado. Mientras trabajaba en el Observatorio Monte Wilson de California , Hubble utilizó su amplia experiencia en telescopios para realizar mediciones de estrellas variables cefeidas. Hubble utilizó el trabajo de la astrónoma Henrietta Leavitt para predecir el brillo de estas estrellas, lo que le permitió calcular sus distancias a la Tierra. Estas mediciones no sólo confirmaron que el universo se extiende mucho más allá de la Vía Láctea, sino que Hubble notó que las estrellas más distantes parecían alejarse más rápido.

En 1929, Hubble y su colega Milton Humason utilizaron sus observaciones para calcular la relación matemática entre la distancia a una estrella y la velocidad a la que se aleja de la Tierra, y así nació la constante de Hubble. La estimación original de Hubble era 500 km/s/Mpc, aproximadamente siete veces el valor que los astrónomos creen que es hoy.

Generaciones de astrónomos han mejorado los métodos originales del Hubble y han desarrollado otros nuevos, reduciendo la constante de Hubble a unos 70 km/s/Mpc, pero aún queda un largo camino por recorrer. Aunque los astrónomos ahora pueden realizar mediciones increíblemente precisas de muchas más galaxias y estrellas, los diferentes métodos para medir la constante de Hubble todavía producen resultados dispares.

¿Como funciona?

Imagínese un muffin de arándanos. A medida que el muffin se hornea y sube, la masa se expande, separando todos los arándanos. Si dos arándanos entran al horno a media pulgada de distancia uno del otro y la masa duplica su tamaño, la distancia entre ellos aumentará a una pulgada completa. Si dos arándanos están a una pulgada de distancia uno del otro antes de que la masa se expanda, estarán a dos pulgadas de distancia una vez que el muffin esté horneado.

Del mismo modo, las galaxias distantes se alejan más rápido que las galaxias cercanas es exactamente lo que esperaríamos ver en un universo que se expande por todas partes. La constante de Hubble nos indica el ritmo al que esto sucede.

La expansión del universo está impulsada por toda la masa, radiación y energía contenidas en él. La ecuación de Friedmann , derivada de las famosas ecuaciones de la relatividad general de Einstein, se puede utilizar para predecir matemáticamente la rapidez con la que se expande el universo. Estas ecuaciones establecen que un universo más denso se expande más rápidamente, por lo que la expansión fue más rápida cuando todas las partículas del universo estaban muy juntas después del Big Bang. Durante los últimos 14 mil millones de años, estas partículas (y la energía y radiación que las acompañan) se han extendido a grandes distancias.

Podemos usar la constante de Hubble para hacer una primera estimación de la edad del universo simplemente usando la ecuación: velocidad = distancia dividida por tiempo. La constante de Hubble nos dice la velocidad de un objeto a cualquier distancia, y dado que la distancia entre todos los objetos en el universo antes de cualquier expansión debe haber sido cero, el tiempo en esta ecuación debe ser la edad del universo. Dependiendo del valor de la constante de Hubble, esto da una edad de unos 14 mil millones de años, no muy lejos de la mejor estimación actual de 13,8 mil millones de años.

Sin embargo, hay una ligera complicación. Las velocidades de las estrellas y galaxias más lejanas que podemos observar no coinciden con lo que predice la constante de Hubble. Debido a que la luz de un objeto distante ha viajado durante miles de millones de años para llegar a nosotros, nuestras observaciones no sólo se ven afectadas por el valor actual de la constante de Hubble, sino también por el valor que tenía cuando el universo se expandía más lentamente. En otras palabras, ¡la constante de Hubble no es una constante en absoluto!

¿Cómo se mide la constante de Hubble?

Actualmente, existen tres formas principales de medir la constante de Hubble: con mediciones astronómicas para observar objetos cercanos y ver qué tan rápido se mueven; mediante el uso de ondas gravitacionales provenientes de colisiones de agujeros negros o estrellas de neutrones; y midiendo la luz sobrante del Big Bang, conocida como fondo cósmico de microondas.

Medidas astronómicas

Para medir la constante de Hubble mediante la observación del universo, los astrónomos deben poder medir dos cosas:

1. La distancia a los objetos astronómicos.
2. La «velocidad de recesión» de cada objeto (es decir, qué tan rápido se aleja del observador)

La velocidad de recesión se puede medir aprovechando un fenómeno llamado efecto Doppler . Un ejemplo clásico del efecto Doppler es cómo el sonido de una sirena cambia cuando pasa una ambulancia. Esto se debe a que las ondas sonoras que se mueven entre usted y la ambulancia se comprimen a medida que la ambulancia se acerca (esencialmente alcanzando sus propias ondas sonoras) y se estiran a medida que se aleja.

A la luz le puede pasar lo mismo: la luz de las estrellas y galaxias que se alejan de la Tierra se alarga de la misma manera que el sonido de la sirena de la ambulancia, aumentando así la longitud de onda de la luz. Los astrónomos llaman a esto «desplazamiento al rojo».

Para medir el corrimiento al rojo y, por tanto, la velocidad del objeto, los astrónomos buscan patrones en la luz emitida por las estrellas conocidas como líneas de absorción . Estas siempre ocurren en las mismas longitudes de onda porque son creados por los elementos de las atmósferas de las estrellas. Cuando el corrimiento al rojo cambia la longitud de onda de todas las líneas de luz y absorción provenientes de una estrella distante, los astrónomos pueden medir cuánto se ha desplazado para calcular qué tan rápido se aleja la estrella de nosotros.

La distancia a un objeto suele ser mucho más difícil de calcular. Para cualquier cosa más allá de nuestra propia galaxia, los científicos necesitan conocer el brillo inherente del objeto y compararlo con su brillo visto desde la Tierra.

«El principio es simple», dice Wendy Freedman, profesora de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Chicago. “Imagina que estás parado cerca de una farola que sabes que está a 10 pies de distancia. A intervalos regulares calle abajo se pueden ver más farolas, que se van atenuando progresivamente a medida que se alejan.

«Saber qué tan lejos y qué tan brillante es la lámpara a tu lado, y luego medir qué tan débiles parecen ser las lámparas más distantes, te permite estimar las distancias a cada una de las otras lámparas a lo largo del camino».

Esto significa que los astrónomos pueden calcular la distancia a cualquier objeto cuyo brillo se pueda predecir; Las fuentes de luz que han sido medidas de manera confiable se conocen como «velas estándar» o «candelas estandar». Como parte del equipo del Proyecto Clave del Telescopio Espacial Hubble, Freedman utilizó observaciones detalladas de estrellas Cefeidas para encontrar un valor de 72-73 km/s/Mpc , donde se han mantenido las mejores estimaciones de la constante basadas en estrellas durante las últimas dos décadas.

Sin embargo, para hacer una estimación independiente de la constante de Hubble, Freedman también ha sido pionera en el uso de un tipo de estrella completamente diferente: las gigantes rojas. Las gigantes rojas son estrellas al final de sus vidas. Parte de su secuencia de muerte incluye un salto repentino a temperaturas de 100 millones de grados en el núcleo de la estrella, acompañado de una caída dramática en el brillo. Al estudiar estrellas gigantes rojas cercanas a distancias conocidas, los astrónomos pueden medir el brillo máximo de estas estrellas moribundas. Freedman utilizó este brillo máximo de gigantes rojas para calcular distancias a galaxias lejanas.

Utilizando este nuevo método de gigante roja, la nueva medición de Freedman de la constante de Hubble fue de 69.8 km/s/Mpc, entre el valor observado anteriormente y el valor predicho por los modelos matemáticos de la evolución del universo.

Ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales son ondas en el tejido del espacio-tiempo y se producen durante eventos altamente energéticos como las colisiones de estrellas de neutrones o las colisiones entre agujeros negros. Los científicos ahora pueden captar estas ondas en la Tierra utilizando el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO). Daniel Holz, profesor de la Universidad de Chicago fue el primero en sugerir que las ondas gravitacionales podrían ofrecer una nueva forma de calcular distancias cósmicas, acuñando el término «sirenas estándar» en un juego de palabras similar al de «candelas estándar».

Los astrónomos pueden utilizar la forma de las señales de ondas gravitacionales que llegan a los detectores para calcular cuánta energía se liberó cuando los dos objetos chocaron, y comparar esto con la cantidad de energía que transportan las señales cuando llegan a la Tierra para calcular la distancia. El método de Holz da un valor preliminar de 70 km/s/Mpc para la constante de Hubble, muy cercano al del trabajo más reciente de Freedman.

Modelado de radiación de fondo cósmico de microondas

Después del Big Bang, el gran calentamiento de toda la materia del universo liberó enormes cantidades de radiación en forma de fotones. A medida que el universo se expandió, esta radiación se desplazó cada vez más al rojo. El registro de esta radiación y desplazamiento al rojo se encuentra en el fondo cósmico de microondas, o CMB.

Sin embargo, el fondo cósmico de microondas no es uniforme; está formado por zonas calientes y frías que quedan registradas en cierta «grumosidad» de la materia y la energía en el universo primitivo. Combinando la física fundamental con estimaciones de la cantidad de masa y energía contenida en el universo, los cosmólogos pueden modelar la expansión del universo desde su estado inicial hasta el día de hoy y reproducir la «aglomeración o grumosidad» observada en el fondo cósmico de microondas. Los cosmólogos han repetido este procedimiento cientos de miles de veces para encontrar combinaciones de condiciones que coincidan con las observaciones. Eso incluye la medición de la constante de Hubble.

Los resultados iniciales del modelo parecían coincidir con las mediciones astronómicas en alrededor de 73 km/s/Mpc, pero a medida que las observaciones del fondo cósmico de microondas se volvieron cada vez más finas, su estimación ha ido disminuyendo poco a poco. La misión Planck de la Agencia Espacial Europea produjo el mapa más detallado del fondo cósmico de microondas hasta la fecha, que se ha utilizado para calcular una constante de Hubble de sólo 67.8 km/s/Mpc.

¿Cuáles son las posibles explicaciones de la discrepancia?

Una posibilidad es que uno o más de los métodos para calcular la constante de Hubble sean defectuosos. Sin embargo, las mediciones de estrellas, galaxias y el fondo cósmico de microondas son increíblemente detalladas, lo que significa que las diferencias probablemente sean resultado de algo mucho más fundamental que sólo una baja precisión. 

Una solución a este enigma podría ser la energía oscura: una energía misteriosa, constante y aún no observable que no se expande ni siquiera cuando el universo se está expandiendo. El verdadero valor de la constante de Hubble podría indicar que es necesario agregar más energía oscura a los modelos del joven universo para impulsar su expansión temprana. Esto podría brindar a los científicos nueva información sobre la naturaleza fundamental de la energía oscura y cómo se ha comportado a lo largo de la historia del universo.

Otro personaje misterioso que podría explicar la discrepancia es la radiación oscura. Esta hipótesis propone la existencia de una nueva clase de partículas subatómicas (como electrones, neutrinos y fotones), que viajan cerca de la velocidad de la luz y se mueven por todo el universo, impulsando su expansión.

Para complicar aún más las cosas, es posible que no haya ninguna energía o radiación adicional. La materia oscura podría interactuar con el universo de una manera que aún no se ha incorporado a nuestra comprensión de la física.

¿Qué están haciendo los científicos para resolverlo?

Los científicos están intentando recopilar pruebas más sólidas para mejorar cada método de cálculo de la constante de Hubble.

Algunos experimentos incluyen la próxima generación de telescopios CMB en la Antártida y el desierto de Atacama de Chile para verificar los datos de Planck y, con suerte, ayudar a calcular un valor aún más preciso para la constante de Hubble.

Mientras tanto, en la esquina de los astrónomos, Freedman y otros están trabajando para tomar nuevas mediciones con diferentes tipos de estrellas y una técnica llamada lentes gravitacionales que aprovecha la enorme masa de las galaxias para enfocar la luz de objetos demasiado lejos para verlos con métodos previos. Y Holz y sus colegas esperan poder realizar más mediciones de distancia a partir de ondas gravitacionales nacidas en colisiones de estrellas de neutrones y agujeros negros.

De cualquier manera, converger hacia el verdadero valor de la constante de Hubble es vital para nuestra comprensión de la edad del universo y su historia.

Traducción del artículo: The Hubble constant, explained