Breve historia de Edwin Hubble y su constante

¿Qué se les viene a la cabeza si oyen la palabra ‘Hubble’? Tal vez se imaginen un gran telescopio espacial, quizás la cara en blanco y negro de un gran astrónomo del pasado siglo llamado Edwin, o, por qué no, puede que piensen en este valor:

H0 = 66,93 ± 0,62 (Km/s)/Mpc

Doy por hecho que han sido pocos de ustedes los que han pensado en ese ‘66,93’ al oir la palabra Hubble. Yo, personalmente, hubiese pensado en el telescopio, pero sepan que ese valor es de vital importancia en el campo de la cosmología: se llama constante de Hubble e indica la tasa de expansión del universo: 66,93 Km/s por cada megapársec, siendo un megapársec la distancia de 3,26 millones de años luz. Y aunque la constante de Hubble se estimaba entre 50 y 90 en la segunda mitad del siglo XX, la cifra se ha ido corrigiendo en base a nuevas observaciones. Concretamente, el ‘66,93’ se obtuvo gracias a un modelo teórico denominado Lambda-CDM.

¿Cómo llegó Edwin Hubble a la conclusión de que el universo se expande? La respuesta está en las estrellas variables cefeidas, campo ampliamente estudiado por Henrietta Swan Levitt a principios del siglo XX. Han de saber una propiedad de estas cefeidas que resulta clave para comprender los resultados de Hubble: existe una relación directa entre su luminosidad y la frecuencia de pulsación de estas estrellas. Es decir, sabiendo con qué frecuencia pulsa una cefeida podemos saber qué cantidad de luz emite, y viendo la cantidad de luz recibida, podemos calcular con gran precisión la distancia a la que se encuentra. Hubble estudió este tipo de estrellas situadas en lo que se llamaban ‘nebulosas espirales’.

  This image taken with the NASA/ESA Hubble Space Telescope shows one of the galaxies in the survey to refine the measurement for how fast the Universe expands with time, called the Hubble constant. The galaxy, UGC 9391, contains two types of stars that astronomers use to calculate accurate distances to galaxies, a key measurement in determining the Hubble constant: Cepheid variables (marked with red circles) which pulsate at rates that correspond to their true brightness; and a Type Ia supernova (the blue cross indicates the position of the supernova 2003du). These supernovae are another commonly used cosmic yardstick. They flare with the same brightness and are brilliant enough to be seen from relatively longer distances. Astronomers calibrate the supernovae with the Cepheids in galaxies such as UGC 9391 so that they can accurately calculate the distances to faraway exploding stars. UGC 9391 itself resides about 130 million light-years from Earth.

La galaxia UGC 9391 contiene tanto cefeidas, marcadas con círculos rojos, como una supernova de tipo Ia, marcada con un aspa. Tanto las cefeidas como las supernovas tipo Ia son de gran ayuda para medir largas distancias en el universo. Concretamente, esta galaxia se sitúa a casi 130 millones de años luz de la Tierra. Créditos: NASA, ESA, and A. Riess (STScI/JHU) (imagen ampliada).

Los primeros resultados de Hubble fueron desconcertantes por dos motivos:

– Al calcular la distancia de algunas cefeidas resultaba que éstas estaban fuera de la Vía Láctea; aquellas ‘nebulosas espirales’ que observó Hubble hoy las conocemos como galaxias.
– Hubble observó que las galaxias estaban más separadas entre sí cuanto más lejos estaban de nosotros, concluyendo que el universo estaba en expansión.

Posteriormente, en 2011, los investigadores Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess obtuvieron el Premio Nobel de Física al descubrir la expansión acelerada del universo, es decir, no solo el universo se expande tal y como predijo Edwin Hubble, sino que además lo hace aceleradamente. Los tres científicos no usaron las estrellas cefeidas como Hubble, sino unas supernovas muy concretas llamadas tipo Ia, las cuales tienen una curva de extinción de luz muy concreta y gracias a ellas pudieron estudiar galaxias mucho más alejadas de las que pudo analizar Hubble.

Pero aquí no acaba la carrera por conseguir un valor más exacto de la constante de Hubble porque uno de los tres premiados, Adam G. Riess, junto a un equipo de astrónomos han usado datos del telescopio espacial Hubble (NASA/ESA) y han descubierto recientemente que el universo está expandiéndose entre un 5% y un 9% más rápido de lo que estaba calculado anteriormente, publicando los resultados en un artículo científico que lleva por título “A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant” (A.G. Riess et al., 2016, ApJ, arXiv:1604.01424).

For the calibration of relatively short distances the team observed Cepheid variables. These are pulsating stars which fade and brighten at rates that are proportional to their true brightness and this property allows astronomers to determine their distances. The researchers calibrated the distances to the Cepheids using a basic geometrical technique called parallax. With Hubble’s sharp-eyed Wide Field Camera 3 (WFC3), they extended the parallax measurements further than previously possible, across the Milky Way galaxy. To get accurate distances to nearby galaxies, the team then looked for galaxies containing both Cepheids and Type Ia supernovae. Type Ia supernovae always have the same intrinsic brightness and are also bright enough to be seen at relatively large distances. By comparing the observed brightness of both types of stars in those nearby galaxies, the team could then accurately measure the true brightness of the supernova. Using this calibrated rung on the distance ladder the accurate distance to additional 300 type Ia supernovae in far-flung galaxies was calculated. They compare those distance measurements with how the light from the supernovae is stretched to longer wavelengths by the expansion of space. Finally, they use these two values to calculate how fast the universe expands with time, called the Hubble constant.

Para obtener las distancias exactas a galaxias cercanas, el equipo buscó en ellas tanto cefeidas como supernovas del tipo Ia y de ahí midieron el efecto Doppler producido en la luz, estirándose hacia longitudes de onda más largas y averguando así la tasa de crecimiento del universo y, a consecuencia, la constante de Hubble. Créditos: NASA,ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU) (imagen ampliada).

La explicación podría estar en un nuevo tipo de partícula subatómica que generaría una ‘radiación oscura’ que podría haber cambiado el balance energético en el universo temprano. “Este sorprendente hallazgo puede ser una pista importante para comprender ese misterioso 95% del universo que no emite luz y que conocemos como energía oscura, materia oscura y radiación oscura”, explica Riess.

Con estos nuevos datos han dado un nuevo valor a la constante de Hubble:

H0 = 73,00 ± 1,75 (Km/s)/Mpc

Independientemente del nuevo valor de la constante, queda mucho por hacer todavía porque la medida de la constante de Hubble en el universo temprano ha sido realizada por las sondas WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) de la NASA y Planck de la ESA, ofreciendo un valor distinto a la obtenida por el telescopio espacial Hubble en el universo reciente. Por lo tanto, ¿puede que la constante de Hubble no sea tan constante y que dependa de la edad del universo? Todo se andará…

Referencias:
A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant (A.G. Riess et al., 2016, Astrophysical Journal, arXiv:1604.01424).
Hubble finds universe may be expanding faster than expected.

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