Las lentes gravitacionales nos dan una tercera estimación de la expansión del universo – Ars Technica

Cualquiera que haya medido algo dos veces, como el ancho de una puerta, y haya obtenido dos respuestas diferentes sabe lo molesto que puede ser. Ahora imagina que eres físico y lo que mides nos dice algo fundamental sobre el universo. Hay una serie de ejemplos como este: parece que no podemos obtener medidas de acuerdo sobre cuánto tiempo sobreviven los neutrones fuera de los núcleos atómicos, por ejemplo.

Pero pocos son más fundamentales para el comportamiento del universo que las controversias sobre el llamado constante de HubbleEs una medida de qué tan rápido se está expandiendo el universo. Lo medimos usando información del fondo cósmico de microondas y obtuvimos un valor único. Lo medimos usando la distancia aparente de los objetos en el universo actual y obtuvimos un valor que difería en aproximadamente un 10 por ciento. Por lo que cualquiera puede decir, no hay nada malo con ninguna de las medidas, y no hay una manera obvia de lograr que estén de acuerdo.

Ahora, los investigadores han podido realizar una tercera medición independiente de la expansión del universo al rastrear el comportamiento de una supernova con lentes gravitacionales. Cuando se descubrió por primera vez, la lente había hecho cuatro imágenes de la supernova. Pero más tarde, apareció un quinto, y este retraso de tiempo se vio afectado por la expansión del universo, de ahí la constante de Hubble.

constante inconsistente

La constante de Hubble es una medida de la expansión del universo, como se puede deducir de sus unidades, que son kilómetros por segundo por megaparsec. Por lo tanto, cada segundo, cada megafarsk del universo se expande una cierta cantidad de kilómetros. Otra forma de pensar en esto es en términos de un objeto relativamente estacionario a una distancia de un megaparsec: cada segundo, se aleja más kilómetros.

¿Cuantos kilometros? Este es el problema aquí. Las mediciones del fondo cósmico de microondas usando el satélite Planck produjeron un valor de 67 km/s Mpc. Los realizados mediante el seguimiento de supernovas distantes arrojan un valor de 73 km/s Mpc. No estamos seguros de por qué estas medidas difieren o si hay un problema técnico con uno que aún no hemos identificado. Pero es un gran problema sin resolver.

El nuevo trabajo incluye un tercer método de medición de distancia que es independiente de los otros dos métodos. Se basa en lentes gravitacionales, en las que la distorsión en el espacio-tiempo causada por un objeto masivo actúa como una lente para ampliar un objeto en el fondo. Dado que estas lentes no son perfectas en calidad óptica, a menudo habrá algo de distorsión e irregularidad. Esto hace que la luz del objeto de fondo tome diferentes caminos hacia el suelo, por lo que un solo objeto puede aparecer en varias ubicaciones diferentes distribuidas alrededor de la lente.

En escalas cósmicas, estos caminos también pueden requerir que la luz viaje distancias muy diferentes para llegar a la Tierra. Y como la luz viaja a una velocidad finita, esto significa que podemos mirar un objeto como si fuera diferente veces. El año pasado, por ejemplo, los investigadores localizaron una imagen del telescopio espacial Hubble que capturó una supernova tal como era en tres momentos diferentes después de su explosión.

El nuevo trabajo se centra en un ejemplo similar, una supernova identificada por primera vez en 2014, y Ahora llamado SN Refsdal, en honor al astrónomo que propuso por primera vez el uso de explosiones lenticulares para realizar mediciones. Cuando se descubrió por primera vez, la distante SN Refsdal fue capturada por un grupo de galaxias llamado MACS J1149.6+2223, que ha creado cuatro imágenes distintas de ella. Pero los estudios de la lente formada por MACS J1149.6 + 2223 demostraron rápidamente que crearía una imagen adicional después de aproximadamente un año.

Resulta que esas predicciones eran correctas. Las imágenes tomadas a finales de 2015 marcaron la quinta imagen del evento creada por lentes gravitacionales.

vara de medir

Los retrasos de tiempo que observamos miden la distancia adicional que recorre la luz en su camino hacia la Tierra. Estas distancias son lo suficientemente grandes como para verse afectadas por la expansión del universo. Entonces, mida las cosas con la suficiente precisión y deberíamos tener un valor para la expansión del universo, otra forma de llegar a la constante de Hubble. Esta idea fue lo que hizo que la supernova Sjur Refsdal fuera nombrada en primer lugar.

Pero el problema es que no sabemos el camino exacto que toma la luz en este caso. La mayor parte de la masa del cúmulo galáctico está en forma de materia oscura, por lo que no podemos visualizarla directamente. Podemos hacer modelos de dónde es probable que descanse esa masa en el sitio del material visible. Pero generalmente verificamos esos modelos en función de qué tan bien la lente produce imágenes. Pero en este caso, los datos a los que intentamos dar sentido son las imágenes invertidas. Entonces, realmente no puede usar imágenes como entrada y salida para el mismo análisis.

Para lidiar con esto, los investigadores trataron todo como un problema de optimización. Tomaron varios modelos de lentes gravitacionales y los probaron con un rango de valores para la constante de Hubble, buscando combinaciones del modelo más la constante que mejor coincidiera con la ubicación de las imágenes de lentes y la apariencia de la quinta imagen retrasada.

El mejor ajuste a sus modelos terminó siendo justo por debajo del valor de la constante de Hubble derivada del fondo cósmico de microondas, con la diferencia dentro del error estadístico. Los valores más cercanos a los derivados de las mediciones de otras supernovas se ajustaron mejor a los datos.

Los investigadores tienen cuidado de decir que esto no significa que debamos descartar el valor más alto. Este método es demasiado nuevo, y las incertidumbres que resultan de una sola supernova son demasiado grandes para ser vistas como una palabra final. Pero sigue siendo importante, en parte porque proporciona un medio independiente para llegar a la constante de Hubble, y en parte porque existe el potencial de identificar ejemplos futuros de supernovas de lente tardía que pueden brindarnos más datos.

Finalmente, es interesante que los datos hayan sido producidos por un universo relativamente maduro, en el que hay estrellas y galaxias. Sin embargo, produjo un valor más consistente con el producido por el fondo cósmico de microondas, que se formó temprano en la historia del universo. Entonces, al menos sugiere que la diferencia entre las otras dos medidas de la constante de Hubble no es un producto de algo especial sobre el universo primitivo.

Ciencia, 2023. DOI: 10.1126 / Ciencias. abh1322 (sobre los DOI).