Actualmente se cree que la mejor explicación de cómo surgió el Universo es que nació hace aproximadamente 13.8 mil millones de años en la inflación exponencial salvaje, maravillosa y profundamente misteriosa del Big Bang, por lo que aumentó en tamaño del de una partícula elemental para alcanzar el tamaño macroscópico en la fracción más pequeña de un segundo. El espacio-tiempo se ha ido haciendo cada vez más grande, más y más frío desde entonces, evolucionando desde su condición cálida y densa original, solo para expandirse a un ritmo mucho más majestuoso hacia su propio destino. Vivimos en un Universo misterioso, la mayoría de los cuales no podemos ver, y se cree que su tasa de expansión actual es causada por una sustancia extraña llamada Energía oscura. Energía oscura generalmente se considera una propiedad del espacio en sí mismo, y surgió por primera vez en los cálculos de Albert Einstein que formaron su Teoría de la relatividad general (1915).

Sin embargo, mucho mucho Se desconoce más sobre nuestro Universo que lo que se sabe. En febrero de 2018, los astrónomos anunciaron que habían utilizado los de la NASA. Telescopio Espacial Hubble (HST) para hacer las mediciones más precisas de la tasa de expansión del Universo, ya que se calculó por primera vez hace casi un siglo. Los resultados intrigantes de estas nuevas mediciones están obligando a los astrónomos a considerar que pueden estar viendo evidencias fascinantes de algo sorprendente en el trabajo en el Cosmos.

Esto es porque el HST Las mediciones confirman una discrepancia preocupante, revelando que el Universo se está expandiendo actualmente más rápido de lo que los científicos esperaban, según su trayectoria vista poco después del Big Bang. Los astrónomos ahora proponen que puede haber nueva física para explicar la inconsistencia.

“La comunidad realmente está tratando de comprender el significado de esta discrepancia”, comentó el investigador principal y Premio Nobel Dr. Adam Riess en un 22 de febrero de 2018. Comunicado de prensa del Hubblesite. El Dr. Riess es de la Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScl) y la Universidad Johns Hopkins, ambas en Baltimore, Maryland.

El equipo del Dr. Riess, que también incluye al Dr. Stefano Casertano (también de STScl y Johns Hopkins), ha estado haciendo uso del famoso telescopio espacial Hubble durante la última media docena de años para hacer más precisas las mediciones de las distancias a las galaxias, utilizando sus estrellas constituyentes como marcadores de distancia. Esas mediciones se usan para calcular qué tan rápido se expande el Universo con el tiempo, un valor denominado Constante de Hubble. El nuevo estudio del equipo ha aumentado el número de estrellas analizadas a distancias 10 veces más al espacio que antes HST resultados.

Sin embargo, el nuevo valor del Dr. Riess presenta un problema debido al conflicto entre él y el valor esperado derivado de las observaciones de la expansión del Universo primordial, 378,000 años después del Big Bang, la violenta explosión de nacimiento que creó el Universo casi 14 mil millones de años. hace. Esas medidas fueron hechas por el Satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESO), que mapea el Fondo cósmico de microondas (CMB). los CMB es el resplandor de la reliquia del Big Bang, y revela maravillosos secretos del comienzo del Universo a los ojos curiosos de científicos curiosos. La diferencia entre los dos valores contradictorios es aproximadamente del 9 por ciento. El nuevo HST Las mediciones ayudan a los científicos a reducir la posibilidad de que la discrepancia en los valores sea una mera coincidencia a 1 en 5,000.

los Satélite de Planck los resultados predicen que el Constante del Hubble el valor ahora debería ser 67 kilómetros por segundo por megaparsec, que es de 3,3 millones de años luz y no puede ser superior a 69 kilómetros por segundo por megaparsec. Básicamente, esto indica que por cada 3,3 millones de años luz más lejos que una galaxia remota está lejos de nosotros, se mueve 67 kilómetros por segundo más rápido.

Sin embargo, el equipo del Dr. Riess encontró algo más. Lo que encontraron fue un valor medido diferente de 73 kilómetros por segundo por megaparsec. Por supuesto, esta es una tasa considerablemente más rápida de lo que se esperaba. Significa que las galaxias están galopando a través del espacio-tiempo más rápido que lo indicado previamente por las observaciones del antiguo universo.

De hecho, el HST los datos son tan precisos que los astrónomos no pueden simplemente ignorar la brecha inquietante, inquietante e increíblemente intrigante entre los dos resultados diferentes como meros errores en una sola medición o método. Como explicó el Dr. Riess en el 22 de febrero de 2018 Comunicado de prensa del Hubblesite: “Ambos estudios han sido probados de múltiples maneras, por lo que, salvo una serie de errores no relacionados, es cada vez más probable que esto no sea un error, sino una característica del Universo”.

El universo se precipita a través del espacio-tiempo a su propia desaparición

Los observadores de estrellas han mirado el cielo nocturno iluminado por las estrellas sobre la Tierra durante miles de años, y han hecho preguntas profundas sobre la edad y el tamaño del Universo. ¿El universo termina en alguna parte? ¿tiene una ventaja, o continúa para siempre, a lo largo de una eternidad inimaginable? ¿Nuestro universo tuvo un comienzo? Y, si nuestro Universo tuvo, de hecho, un Principio definido y profundo, ¿también experimentará un Final final profundo y fatal?

En 1929, Edwin Hubble (para quien se nombra el famoso telescopio espacial), hizo el importante descubrimiento que finalmente allanó el camino para respuestas genuinamente científicas a estas preguntas previamente filosóficas. Edwin Hubble descubrió, cuando trabajaba como astrónomo en el Instituto de Tecnología de California (Caltech) en Pasadena, que el Universo se está expandiendo. Antes de que Hubble hiciera su descubrimiento, la mayoría de los científicos creían que el Universo es estático e inmutable y, por lo tanto, no se está expandiendo.

Los filósofos antiguos fueron los primeros en hacer preguntas profundas sobre la naturaleza del cosmos. Por ejemplo, los antiguos griegos entendieron que era difícil imaginar cómo sería un Universo infinito. Sin embargo, también reflexionaron sobre la pregunta desconcertante de que, si el Universo fuera finito, y usted se fuera de su borde, ¿dónde terminaría? Los antiguos griegos dos preguntas sin respuesta crearon una paradoja. El Universo tenía que ser finito o infinito, y ambos escenarios opuestos presentaban dos problemas extremadamente difíciles.

Después del surgimiento de la astronomía científica moderna, otra paradoja comenzó a plagar a los astrónomos. A principios de la década de 1800, el astrónomo alemán Heinrich Olbers propuso que el Universo Tenía que ser finito. Esto se debe a que, según Olbers, si el Universo fuera infinito y albergara estrellas en toda su extensión infinita, entonces si miraras al cielo en cualquier dirección particular, tu línea de visión eventualmente descansaría sobre la superficie de una estrella. Aunque el tamaño aparente de una estrella que brilla en el cielo se hace cada vez más pequeño a medida que aumenta la distancia a esa estrella en particular, el brillo de esta superficie estelar más pequeña permanece constante. Por lo tanto, según esta línea de razonamiento, si el Universo fuera infinito, toda la superficie del cielo nocturno debería ser tan deslumbrante y brillante como la superficie de una estrella. Esto, por supuesto, no es el caso. Obviamente hay franjas oscuras en el cielo nocturno sobre nuestro planeta. Por lo tanto, Olbers razonó, el Universo tenía que ser finito.

Isaac Newton se dio cuenta de que la gravedad siempre es atractiva cuando descubrió la ley de la gravedad. Todos y cada uno de los objetos del Universo atrae a todos los demás objetos. Imagine el resultado de esto si, de hecho, el Universo es finito. Obviamente, la atracción gravitacional mutua de todos los objetos que habitan el Universo, debería haber causado que todo el Universo se derrumbara sobre sí mismo. Por supuesto, esto no ha sucedido, por lo que los astrónomos se vieron atrapados con esta paradoja verdaderamente difícil.

Albert Einstein, mientras desarrollaba su Teoría general de la relatividad, También creía que había quedado atrapado en este problema aparentemente insuperable. Las ecuaciones de Einstein mostraron que el Universo debería colapsar o expandirse. Sin embargo, Einstein, como otros físicos de su época, pensó que el Universo es estático, y su solución original contenía un término constante: el constante cosmológica. los constante cosmológica canceló cuidadosamente los efectos de la gravedad en las escalas más grandes y dio como resultado el Universo estático deseado. Después de que Hubble descubriera que el Universo no es estático, sino que se está expandiendo, Einstein habría llamado constante cosmológica su “mayor error”.

Se construyeron telescopios más grandes al mismo tiempo y pudieron medir con precisión el espectros (la intensidad de la luz en función de la longitud de onda) de los objetos tenues. Los astrónomos, utilizando estos datos recién adquiridos, trataron de comprender la miríada de objetos débiles y nebulosos que ahora podían ver con los nuevos telescopios. Entre 1912 y 1922, el astrónomo Vesto Slipher de la Observatorio Lowell en Arizona descubrió que los espectros de luz que viajaban desde una gran cantidad de estos objetos se desplazaban sistemáticamente a longitudes de onda más largas (desplazado al rojo). Poco después, otros astrónomos pudieron demostrar que estos nebulosos objetos débiles eran galaxias remotas más allá de la nuestra. Nuestra galaxia espiral, la Vía Láctea, no era una isla en absoluto, como se había pensado anteriormente, tenía mucha compañía. De hecho, nuestra galaxia es solo una de las miles de millones que bailan a través de la franja relativamente pequeña del Universo que podemos observar: la universo observable. Lo que sea que pueda residir más allá del universo observable está más allá del horizonte de nuestra visibilidad porque la luz que fluye desde esas regiones inimaginablemente remotas no ha tenido tiempo de alcanzarnos desde el Big Bang hace casi 14 mil millones de años. Ninguna señal conocida puede viajar más rápido que la luz en el vacío, por lo que la velocidad de la luz establece un límite de velocidad universal.

Durante esta misma era altamente productiva en la historia de la astronomía, otros matemáticos y físicos que trabajan en Einstein Relatividad general, descubrió que las ecuaciones contenían algunas soluciones que describían un universo en expansión. En estas soluciones, la luz que viaja desde objetos distantes sería desplazado al rojo mientras fluía de manera brillante a través de la expansión de Spacetime. Por lo tanto, la desplazamiento al rojo aumentaría al aumentar la distancia al objeto que emite la luz.

En 1929, Edwin Hubble midió el corrimientos al rojo de muchas galaxias distantes. También pasó a medir sus distancias relativas midiendo el brillo aparente de una clase especial de estrellas variables llamado Cefeidas habitando cada galaxia. Cuando Hubble trazó desplazamiento al rojo contra la distancia relativa, descubrió que el desplazamiento al rojo de galaxias remotas aumentaron como una función lineal de su distancia. Podría haber solo una explicación para esta observación: El universo se está expandiendo.

Cuando los astrónomos se dieron cuenta de que el Universo se estaba expandiendo, inmediatamente entendieron que tenía que haber sido más pequeño en el pasado. En algún momento del pasado, calcularon, todo el Universo habría sido un solo punto. Este punto, más tarde llamado Big Bang, fue el comienzo, el nacimiento, del Universo tal como lo entendemos hoy.

Por lo tanto, el universo es finito, tanto en el espacio como en el tiempo. La razón por la que el Universo no colapsó sobre sí mismo, como lo indicaron las ecuaciones de Newton y Einstein, es que se había expandido desde el momento de su nacimiento. El Universo está en un estado constante de cambio, no es estático. El Universo en expansión, una idea relativamente nueva en la física moderna, puso fin a las molestas paradojas que atormentaban las noches de insomnio de muchos científicos desde la época de los filósofos antiguos hasta principios del siglo XX.

Vivimos en un universo misterioso, la mayoría de los cuales no podemos ver con nuestros ojos humanos. Las galaxias, los cúmulos de galaxias y los supercúmulos de galaxias están anidados en halos compuestos de una extraña forma transparente de materia no atómica a la que los científicos se refieren como materia oscura. Este material no identificado es mucho más abundante que la materia atómica que compone el Universo con el que estamos familiarizados: estrellas, planetas, lunas, árboles y personas, por ejemplo. En grandes escalas, todo el Universo se ve igual donde sea que volvamos la vista, mostrando una apariencia burbujeante y espumosa, con mucha pesadez. materia oscura filamentos que se retuercen y se enrollan entre sí, tejiendo una estructura similar a una red que (apropiadamente) se conoce como Web cósmica. Aunque invisibles, los filamentos de la Web cósmica están esbozados por el brillo seductor de una multitud de fuegos estelares. Las estrellas trazan inmensas láminas y trenzas entrelazadas que albergan las galaxias tachonadas de estelas que habitan el universo observable.

La temperatura en toda la bola de fuego Big Bang original era casi pero no precisamente uniforme. Esta variación exquisitamente pequeña de la uniformidad exacta es responsable de la formación de todo lo que somos y todo lo que podemos saber. Antes del periodo de inflación ocurrió, el parche extremadamente pequeño, del tamaño de una partícula elemental, que finalmente se expandió para convertirse en el Universo, era completamente homogéneo, suave y parecía ser el mismo en todas las direcciones. El período primitivo de inflación se cree que explica cómo ese Patch originalmente homogéneo comenzó a ondularse. Las pequeñas fluctuaciones, las ondas primordiales en el espacio-tiempo, ocurrieron en las unidades más pequeñas que se pueden medir. (cuántico). Inflación explica cómo estos cuántico Las fluctuaciones en el Universo bebé eventualmente crecieron hasta convertirse en estructuras a gran escala como galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos. Dondequiera que miremos cuando observamos el Universo, vemos exactamente lo mismo. Esto ha sido interpretado en el sentido de que en una época extremadamente antigua todo fue aplastado en un pequeño punto donde todo estaba en contacto con todo lo demás. En el nacimiento de Spacetime, cada región estaba en contacto con todas las demás regiones.

Imagine el Universo como una hogaza de pan de semillas de amapola en crecimiento. A medida que la masa de levadura comienza a elevarse (inflarse), las semillas de amapola se vuelven cada vez más alejadas entre sí. Si este drama de cocina se jugara al revés, la masa se reduciría y todas las semillas de amapola estarían una encima de la otra.

Envuelto en la oscuridad

El Dr. Adam Riess sugiere algunas explicaciones potenciales para la expansión más rápida de lo esperado del Universo, y todas están relacionadas con el 95% del Cosmos que está envuelto en una misteriosa oscuridad. Una de las posibilidades propuestas por el Dr. Riess es que el energía oscura, eso ya se sabe que es acelerador La expansión del Universo puede estar alejando a las galaxias unas de otras con una fuerza aún mayor, o cada vez mayor. Esto esencialmente significa que la aceleración en sí misma puede no tener un valor constante. En cambio, la expansión acelerada del Universo puede cambiar con el tiempo. El Dr. Riess compartió el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de 1998 de la expansión acelerada de Spacetime.

Otra propuesta sugiere que el Universo alberga una nueva partícula subatómica que vuela chillando a través del espacio-tiempo a casi la velocidad de la luz. Tales partículas que galopan rápidamente se denominan colectivamente “radiación oscura”, e incluye partículas previamente desconocidas como neutrinos Neutrinos se forman en reacciones nucleares y desintegraciones radiactivas. A diferencia de un normal neutrino, que interactúa por medio de una fuerza subatómica, la nueva partícula solo se vería influenciada por la gravedad. Esta es la razón por la que se llama “neutrino estéril”.

Otra propuesta (especialmente intrigante) es que lo invisible no atómico materia oscura Las partículas interactúan más fuertemente con la materia atómica normal (llamada “ordinaria”) de lo que se había hipotetizado previamente.

Cualquiera de estas teorías cambiaría el contenido del Universo primordial, lo que llevaría a inconsistencias en los modelos teóricos. Estas inconsistencias darían como resultado un valor incorrecto para Hubble Constant, calculado a partir de las observaciones del universo bebé. Por lo tanto, el valor diferiría del HST observaciones

Hasta ahora, el Dr. Riess y sus colegas no tienen una respuesta a este problema persistente. Sin embargo, su equipo planea continuar trabajando en el ajuste de la tasa de expansión del Universo. En este momento, el equipo del Dr. Riess, llamado el Supernova H0 Para el Ecuación de Estado (ZAPATOS), ha disminuido la incertidumbre al 2.3 por ciento. antes de HST fue lanzado en 1990, las estimaciones de la Constante del Hubble diferido por un factor de dos. Uno de HST Los objetivos principales eran ayudar a los astrónomos en sus esfuerzos por reducir el valor de la incertidumbre dentro de un error de solo el 10%. Desde 2005, el grupo ha estado tratando de refinar la precisión de la Constante del Hubble con una precisión que permita una mejor comprensión del misterioso comportamiento del Universo.

El equipo de astrónomos ha tenido éxito en refinar el valor de la Constante del Hubble fortaleciendo y racionalizando la construcción del escalera de distancia cósmica. Los astrónomos usan el escalera de distancia cósmica para medir con precisión las distancias a las galaxias que están cerca y lejos de nuestro planeta. Los astrónomos han comparado esas distancias con la expansión del espacio-tiempo, medida por el estiramiento de la luz que viaja desde las galaxias que se alejan de la Tierra. Luego, los científicos utilizaron la aparente velocidad externa de las galaxias a cada distancia para calcular el Constante del Hubble.

Sin embargo, el valor de la Constante del Hubble es tan preciso como la precisión de las mediciones. Con el fin de lograr la precisión necesaria, los astrónomos han elegido clases especiales de estrellas y supernovas para usar como criterios cósmicos o marcadores de hitos para medir con precisión las distancias galácticas.

Variable cefeida Las estrellas son los criterios más confiables para que los astrónomos utilicen al medir distancias más cortas. Variables cefeidas son estrellas pulsantes que se iluminan y atenúan a velocidades que corresponden a su brillo intrínseco. Como resultado, sus distancias se pueden calcular comparando su brillo intrínseco con su brillo aparente como se observa desde nuestro planeta.

El más reciente HST El resultado se basa en mediciones de la paralaje de ocho recién estudiados Cefeidas en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Estas estrellas variables son aproximadamente 10 veces más distantes que las estudiadas anteriormente Cefeidas situado entre 6,000 años luz y 12,000 años luz de la Tierra, lo que los hace más difíciles de medir. Estas Cefeidas pulsa a intervalos más largos, al igual que el Cefeidas observado por HST que habitan galaxias remotas que albergan otro criterio cósmico confiable: estrellas que explotan brillantemente llamadas Escriba Ia supernovas. Este tipo particular de supernova resplandece con un brillo uniforme y es lo suficientemente deslumbrante como para ser observado desde relativamente más lejos. Más temprano HST observaciones estudiaron 10 parpadeos más rápidos Cefeidas situado a 300 años luz a 1.600 años luz de la Tierra.

Para medir paralaje con HST, los astrónomos tuvieron que determinar las pequeñas oscilaciones aparentes de la Cefeidas causado por la órbita de la Tierra alrededor de nuestro Sol. Estas pequeñas oscilaciones son aproximadamente del tamaño de 1/100 de un solo píxel en la cámara del telescopio espacial, que es aproximadamente del tamaño aparente de un grano de arena visto por un observador a 100 millas de distancia.

Por lo tanto, para garantizar la precisión de las mediciones, los científicos desarrollaron un método ingenioso que era desconocido en ese momento. HST fue lanzado. Los astrónomos desarrollaron un método de escaneo en el que HST midió la posición de una estrella mil veces por minuto cada seis meses durante cuatro años.

Luego, el equipo calibró el verdadero brillo de los ocho pulsos lentos Cefeidas y los correlacionó de forma cruzada con sus hermanos de guiño más remotos para apretar las imprecisiones en su escala de distancia. Entonces los astrónomos compararon el brillo de la Cefeidas y supernovas en esas galaxias con mayor confianza. De esta manera, podrían medir con mayor precisión el verdadero brillo de la estrella, calculando así las distancias a cientos de supernovas en galaxias remotas con mayor precisión.

La nueva técnica implica HST deslizándose lentamente a través de una estrella objetivo, obteniendo así la imagen como un rayo de luz. La ventaja de esta técnica permite oportunidades repetidas para medir los desplazamientos extremadamente pequeños que resultan del paralaje. Los astrónomos miden la separación entre dos estrellas, no solo en un lugar de la cámara, sino una y otra vez miles de veces, lo que reduce los errores en la medición.

El objetivo del equipo es reducir aún más la incertidumbre mediante el uso de datos obtenidos de HST y el Observatorio espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA). Esto medirá las posiciones y distancias de las estrellas variables con una precisión sin precedentes.

Como comentó el Dr. Casertano en el 22 de febrero de 2018 Comunicado de prensa del Hubblesite: “Esta precisión es lo que se necesitará para diagnosticar la causa de esta discrepancia”.

La nueva investigación será publicada en El diario astrofísico.