Modelo Estándar De Universo ¿incorrecto? Nuevas Mediciones De Distancia De Precisión Incompatibles Con La Teoría

Disco de gas portador de agua orbitando un agujero negro

Concepción del artista que ilustra un disco de gas portador de agua que orbita el agujero negro supermasivo en el núcleo de una galaxia distante. Al observar la emisión de máser de tales discos, los astrónomos pueden usar la geometría para medir la distancia a las galaxias, un requisito clave para calcular la Constante de Hubble. Crédito: Sophia Dagnello, NRAO / AUI / NSF

Los resultados de las observaciones refuerzan el desafío a la teoría

Un nuevo conjunto de mediciones de distancia de precisión realizadas con una colección internacional de radiotelescopios ha aumentado considerablemente la probabilidad de que los teóricos necesiten revisar el “modelo estándar” que describe la naturaleza fundamental del Universo.

Las nuevas mediciones de distancia permitieron a los astrónomos refinar su cálculo de la Constante de Hubble, la tasa de expansión del Universo, un valor importante para probar el modelo teórico que describe la composición y evolución del Universo. El problema es que las nuevas mediciones exacerban una discrepancia entre los valores medidos previamente de la constante de Hubble y el valor predicho por el modelo cuando se aplican a las mediciones del fondo cósmico de microondas realizadas por el satélite Planck.

“Encontramos que las galaxias están más cerca de lo que predice el modelo estándar de cosmología, corroborando un problema identificado en otros tipos de medidas de distancia. Se ha debatido si este problema radica en el modelo en sí o en las medidas utilizadas para probarlo. Nuestro trabajo utiliza una técnica de medición de distancia completamente independiente de todas las demás, y reforzamos la disparidad entre los valores medidos y predichos. Es probable que el modelo cosmológico básico involucrado en las predicciones sea el problema ”, dijo James Braatz, del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO).

Braatz lidera el Proyecto de Cosmología Megamaser, un esfuerzo internacional para medir la Constante de Hubble mediante la búsqueda de galaxias con propiedades específicas que se presten a producir distancias geométricas precisas. El proyecto ha utilizado el Very Long Baseline Array (VLBA) de la National Science Foundation, Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) y el Telescopio Robert C. Byrd Green Bank (GBT), junto con el telescopio Effelsberg en Alemania. El equipo informó sus últimos resultados en Astrophysical Journal Letters .

Edwin Hubble, tras quien la órbita telescopio espacial Hubble se nombra, calculó por primera vez la tasa de expansión del universo (la constante de Hubble) en 1929 midiendo las distancias a las galaxias y sus velocidades de recesión. Cuanto más distante está una galaxia, mayor es su velocidad de recesión desde la Tierra. Hoy en día, la constante de Hubble sigue siendo una propiedad fundamental de la cosmología observacional y un foco de muchos estudios modernos.

Medir las velocidades de recesión de las galaxias es relativamente sencillo. Sin embargo, determinar las distancias cósmicas ha sido una tarea difícil para los astrónomos. Por objetos en los nuestros Vía láctea Galaxy, los astrónomos pueden obtener distancias midiendo el cambio aparente en la posición del objeto cuando se ve desde lados opuestos de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, un efecto llamado paralaje. La primera medición de este tipo de la distancia de paralaje de una estrella se produjo en 1838.

Más allá de nuestra propia galaxia, los paralaje son demasiado pequeños para medirlos, por lo que los astrónomos se han basado en objetos llamados “velas estándar”, llamados así porque se presume que se conoce su brillo intrínseco. La distancia a un objeto de brillo conocido se puede calcular en función de qué tan oscuro aparece el objeto desde la Tierra. Estas velas estándar incluyen una clase de estrellas llamadas variables cefeidas y un tipo específico de explosión estelar llamada supernova de tipo Ia.

Otro método para estimar la tasa de expansión implica la observación de cuásares distantes cuya luz es desviada por el efecto gravitacional de una galaxia en primer plano en múltiples imágenes. Cuando el quásar varía en brillo, el cambio aparece en las diferentes imágenes en diferentes momentos. La medición de esta diferencia de tiempo, junto con los cálculos de la geometría de la flexión de luz, produce una estimación de la tasa de expansión.

Las determinaciones de la constante de Hubble basadas en las velas estándar y los cuásares con lentes gravitacionales han producido cifras de 73 a 74 kilómetros por segundo (la velocidad) por megaparsec (distancia en unidades preferidas por los astrónomos).

Sin embargo, las predicciones de la constante de Hubble del modelo cosmológico estándar cuando se aplican a las mediciones del fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación sobrante del Big Bang – producir un valor de 67,4, una diferencia significativa y preocupante. Esta diferencia, que según los astrónomos está más allá de los errores experimentales en las observaciones, tiene serias implicaciones para el modelo estándar.

El modelo se llama Lambda Cold Dark Matter, o Lambda CDM, donde “Lambda” se refiere a la constante cosmológica de Einstein y es una representación de la energía oscura. El modelo divide la composición del Universo principalmente entre materia ordinaria, materia oscura y energía oscura, y describe cómo ha evolucionado el Universo desde el Big Bang.

El Proyecto de Cosmología Megamaser se centra en galaxias con discos de gas molecular portador de agua que orbitan agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias. Si el disco en órbita se ve casi de canto desde la Tierra, se pueden usar puntos brillantes de emisión de radio, llamados máseres, análogos de radio a los láseres de luz visible, para determinar tanto el tamaño físico del disco como su extensión angular y, por lo tanto, a través de la geometría, su distancia. El equipo del proyecto utiliza la colección mundial de radiotelescopios para realizar las mediciones de precisión necesarias para esta técnica.

En su último trabajo, el equipo refinó sus mediciones de distancia a cuatro galaxias, a distancias que van desde 168 millones de años luz hasta 431 millones de años luz. En combinación con las mediciones de distancia anteriores de otras dos galaxias, sus cálculos produjeron un valor para la constante de Hubble de 73,9 kilómetros por segundo por megaparsec.

“Probar el modelo estándar de cosmología es un problema realmente desafiante que requiere las mejores mediciones de la constante de Hubble. La discrepancia entre los valores predichos y medidos de la constante de Hubble apunta a uno de los problemas más fundamentales de toda la física, por lo que nos gustaría tener múltiples mediciones independientes que corroboren el problema y prueben el modelo. Nuestro método es geométrico y completamente independiente de todos los demás, y refuerza la discrepancia ”, dijo Dom Pesce, investigador del Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian, y autor principal del último artículo.

“El método máser para medir la tasa de expansión del universo es elegante y, a diferencia de los demás, se basa en la geometría. Midiendo posiciones y dinámicas extremadamente precisas de puntos máser en el disco de acreción que rodea un lejano calabozo , podemos determinar la distancia a las galaxias anfitrionas y luego la tasa de expansión. Nuestro resultado de esta técnica única fortalece el caso de un problema clave en la cosmología observacional “. dijo Mark Reid del Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian, y miembro del equipo del Proyecto de Cosmología Megamaser.

“Nuestra medición de la constante de Hubble está muy cerca de otras mediciones recientes y estadísticamente muy diferente de las predicciones basadas en el CMB y el modelo cosmológico estándar. Todo indica que el modelo estándar necesita una revisión ”, dijo Braatz.

Los astrónomos tienen varias formas de ajustar el modelo para resolver la discrepancia. Algunos de estos incluyen presunciones cambiantes sobre la naturaleza de la energía oscura, alejándose de la constante cosmológica de Einstein. Otros analizan cambios fundamentales en la física de partículas, como cambiar los números o tipos de neutrinos o las posibilidades de interacciones entre ellos. Hay otras posibilidades, incluso más exóticas, y por el momento los científicos no tienen pruebas claras para discriminar entre ellas.

“Este es un caso clásico de interacción entre observación y teoría. El modelo Lambda CDM ha funcionado bastante bien durante años, pero ahora las observaciones apuntan claramente a un problema que debe resolverse y parece que el problema radica en el modelo ”, dijo Pesce.

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Referencia: “El proyecto de cosmología Megamaser. XIII. Restricciones constantes de Hubble combinadas ”por DW Pesce, JA Braatz, MJ Reid, AG Riess, D. Scolnic, JJ Condon, F. Gao, C. Henkel, CMV Impellizzeri, CY Kuo y KY Lo, 26 de febrero de 2020, Astrophyiscal Journal Letters .
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ab75f0
arXiv: 2001.09213

El Observatorio Nacional de Radioastronomía es una instalación de la National Science Foundation, operada bajo un acuerdo cooperativo por Associated Universities, Inc.

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