El Telescopio Espacial Webb mide la tasa de expansión del universo

La tensión de Hubble se refiere a la diferencia entre la tasa de expansión observada y esperada del universo. el Telescopio espacial James Webb Revisa las medidas que hizo anteriormente. telescopio espacial Hubble. A pesar del progreso, quedan dudas sobre la rápida expansión del universo y los posibles fenómenos cósmicos subyacentes.

La velocidad a la que se expande el universo, conocida como constante de Hubble, es uno de los criterios fundamentales para comprender la evolución y el destino final del universo. Sin embargo, existe una diferencia persistente llamada “tensión de Hubble” que aparece entre el valor de la constante medida por una amplia gama de índices de distancia independientes y su valor esperado de la gran explosión crepúsculo.

NASAEl Telescopio Espacial James Webb proporciona nuevas capacidades para examinar y perfeccionar algunas de las pruebas observacionales más sólidas de esta tensión. El premio Nobel Adam Ries de la Universidad Johns Hopkins y el Instituto Científico del Telescopio Espacial presenta su trabajo reciente y el de sus colegas utilizando observaciones de Webb para mejorar la precisión de las mediciones locales de la constante de Hubble.

El desafío de la medición cosmológica

«¿Alguna vez te ha costado ver una marca que estaba en el borde de tu visión? ¿Qué dice? ¿Qué significa? Incluso con los telescopios más potentes, las ‘marcas’ que los astrónomos quieren leer parecen tan pequeñas que nos cuesta , también.»

«El signo que los cosmólogos quieren leer es el signo del límite de velocidad cósmica que nos dice qué tan rápido se está expandiendo el universo: un número llamado constante de Hubble. Nuestro signo está escrito en las estrellas de galaxias distantes. El brillo de algunas estrellas en esas galaxias nos dicen qué tan lejos están y, por lo tanto, cuánto tiempo ha viajado esa luz». Para llegar hasta nosotros, los corrimientos al rojo de las galaxias nos dicen cuánto se expandió el universo durante ese período y, por lo tanto, la expansión un promedio.

Este gráfico muestra el poder combinado de los telescopios espaciales Hubble y Webb de la NASA para determinar distancias precisas a una clase especial de estrellas variables utilizadas para calibrar la tasa de expansión del universo. Estas estrellas variables cefeidas se ven en campos estelares abarrotados. La contaminación lumínica de las estrellas circundantes puede hacer que la medición del brillo de las Cefeidas sea menos precisa. La visión infrarroja más nítida de Webb permite aislar más claramente el objetivo de la Cefeida de las estrellas circundantes, como se ve en el lado derecho del diagrama. Los datos de Webb confirman la precisión de 30 años de observaciones del Hubble de las cefeidas que fueron cruciales para determinar el peldaño inferior de la escala de distancias cósmicas para medir la tasa de expansión del universo. A la izquierda, NGC 5584 se muestra en una imagen compuesta de Webb NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) y la cámara de campo amplio 3 del Hubble. Crédito de la imagen: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

“Una clase particular de estrellas, las variables cefeidas, nos han proporcionado las mediciones de distancia más precisas durante más de un siglo porque estas estrellas son extraordinariamente brillantes: son estrellas gigantes, cien mil veces la luminosidad del Sol. Además, pulsan (es decir, expandirse y contraerse en magnitud) durante un período de semanas, lo que indica su brillo relativo. Cuanto más largo es el período, más brillantes son intrínsecamente. Es el instrumento estándar de oro para medir distancias entre galaxias de cien millones de años luz. o más de distancia, y es un paso crucial para determinar la constante de Hubble. Desafortunadamente, las estrellas en las galaxias están agrupadas en un área pequeña desde nuestro punto de vista distante, por lo que a menudo carecemos de la resolución para separarlas de sus vecinas en la línea de visión.

La contribución del Hubble y los desarrollos de Webb

«La principal justificación para construir el Telescopio Espacial Hubble fue resolver este problema. Antes del lanzamiento del Hubble en 1990 y sus posteriores mediciones de las Cefeidas, la tasa de expansión del universo era tan incierta que los astrónomos no estaban seguros de si el universo se estaba expandiendo 10 mil millones o 20 mil millones de años. Esto se debe a que una tasa de expansión más rápida conducirá a una edad más joven del universo, y una tasa de expansión más lenta conducirá a una edad más antigua del universo. El Hubble tiene una mejor resolución de longitud de onda visible que cualquier telescopio terrestre porque está situado por encima de la influencia nebulosa de la atmósfera terrestre, por lo que puede identificar variables cefeidas individuales en galaxias lejanas a más de cien millones de años luz y medir el intervalo de tiempo durante el cual cambia su brillo.

«Sin embargo, también debemos observar las estrellas Cefeidas en la parte del infrarrojo cercano del espectro para ver la luz que pasa ilesa a través del polvo intermedio (el polvo absorbe y dispersa la luz óptica azul, haciendo que los objetos distantes parezcan débiles y engañándonos haciéndonos pensar están más lejos de lo que están.) Desafortunadamente, la visión de la luz roja del Hubble no es tan nítida como la luz azul, por lo que la luz de las estrellas Cefeidas que vemos allí se mezcla con otras estrellas en su campo de visión. Podemos calcular la cantidad promedio de mezcla , Estadísticamente, de la misma manera que un médico calcula su peso restando el peso promedio de la ropa de la lectura de la báscula, pero al hacerlo agrega confusión a las mediciones. La ropa de algunas personas es más pesada que la de otras.

«Sin embargo, la visión infrarroja nítida es uno de los superpoderes del telescopio espacial James Webb. Con su gran espejo y su óptica sensible, puede separar fácilmente la luz cefeida de las estrellas cercanas con poca mezcla. En el primer año de operaciones de Webb con nuestro programa de observadores en En 1685, recopilamos observaciones de las Cefeidas encontradas por Hubble en dos pasos a lo largo de lo que se conoce como la escalera de distancias cósmicas. El primer paso consiste en observar las Cefeidas en una galaxia con una distancia geométrica conocida que nos permite calibrar la verdadera luminosidad de las Cefeidas. programa, esta galaxia es NGC 4258. El segundo paso es observar las Cefeidas en las galaxias anfitrionas de supernovas recientes de Tipo Ia. La combinación de los dos primeros pasos transfiere el conocimiento de la distancia a las supernovas para calibrar su verdadero brillo. El tercer paso es observe aquellas supernovas distantes donde la expansión del universo es evidente y puede medirse comparando distancias inferidas a partir de los brillos y corrimientos al rojo de las galaxias anfitrionas de supernovas. Esta secuencia de pasos se conoce como escalera de distancias.

«Recientemente hemos obtenido las primeras mediciones de Webb de los Pasos 1 y 2, lo que nos permite completar la escala de distancias y compararlas con mediciones anteriores utilizando el Hubble (ver figura). Las mediciones de Webb han reducido significativamente el ruido en las mediciones de Cefeidas debido a la precisión del observatorio en distancias cercanas. -longitudes de onda infrarrojas. ¡Este tipo de mejora es con lo que sueñan los astrónomos! Observamos más de 320 estrellas cefeidas durante los dos primeros pasos. Confirmamos que las mediciones anteriores realizadas por el Telescopio Espacial Hubble eran precisas, aunque más ruidosas. También observamos cuatro anfitriones de supernovas utilizando Webb, vimos un resultado similar para toda la muestra.

Compara las relaciones entre el período Cefeida y la luminosidad utilizada para medir distancias. Los puntos rojos son del Webb de la NASA y los puntos grises son del Hubble de la NASA. El panel superior está dedicado a NGC 5584, el anfitrión de la supernova de tipo Ia, con un recuadro que muestra sellos de imágenes de la misma cefeida vista por cada telescopio. El panel inferior es para NGC 4258, una galaxia con una distancia geométrica conocida, y el recuadro muestra la diferencia en los coeficientes de distancia entre NGC 5584 y NGC 4258 medidos con cada telescopio. Los dos telescopios coinciden perfectamente. Crédito de la imagen: NASA, ESA, A. Riess (STScI) y G. Anand(STScI)

El misterio actual de la tensión del Hubble

«¡Lo que los resultados aún no han explicado es por qué el universo se está expandiendo tan rápidamente! Podemos orgullo La tasa de expansión del universo al observar su imagen naciente Fondo cósmico de microondas, luego usamos nuestro mejor modelo de cómo crece con el tiempo para decirnos qué tan rápido debería expandirse el universo hoy. El hecho de que la medida actual de la tasa de expansión esté superando dramáticamente las expectativas es un problema que lleva una década llamado «nerviosismo del Hubble». La posibilidad más interesante es que el estrés sea evidencia de algo que pasamos por alto en nuestra comprensión del universo.

«Esto podría indicar la presencia de energía oscura exótica, materia oscura exótica, una revisión de nuestra comprensión de la gravedad o la existencia de una partícula o campo único. La explicación más simple es que múltiples errores de medición conspiran en la misma dirección (los astrónomos descartó un error usando pasos independientes), Por eso es tan importante repetir las mediciones con mayor precisión. Con la confirmación de Webb de las mediciones de Hubble, las mediciones de Webb proporcionan la evidencia más sólida hasta el momento de que los errores sistemáticos en la fotometría de cefeidas de Hubble no juegan un papel significativo en la El nerviosismo actual, como resultado, el Interés más probable está sobre la mesa y el tenso misterio se profundiza.

Esta publicación destaca datos de A. papel Que ha sido aceptado antes. Diario astrofísico.

Referencia: “No más aglomeración: precisión de la constante de Hubble probada mediante observaciones de alta resolución de objetos cefeidas con el telescopio espacial James Webb” por Adam J. Rees, Gagandeep S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Proval, Dan Skolnick, Marshall Perrin y Richard I. Anderson, aceptaron. Diario astrofísico.
arXiv:2307.15806

Autor: Adam Ries es Profesor Distinguido Bloomberg en la Universidad Johns Hopkins, Profesor Thomas G. Barber de Estudios Espaciales en la Escuela de Artes y Ciencias JHU Krieger, astrónomo distinguido en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial y ganador del Premio Nobel de 2011. Premio en Física.