Acorralant la tensió de Hubble

Fa tan sols un segle que els treballs de George Lemaître i Edwin Hubble, basats en gran part en observacions d’estrelles variables cefeides realitzades per Henrietta Leavitt, van confirmar que l’Univers s’estava expandint. El càlcul d’aquest ritme d’expansió parametritzat per l’anomenat paràmetre de Hubble-Lemaître, H(z), suposà una gran fita per a la cosmologia. No és fins al final del segle XX quan dos grups de recerca liderats per Brian Schmidt i Saul Perlmutter van fer un pas més en el nostre coneixement de l’Univers i, independentment, van descobrir que l’expansió de l’Univers s’està accelerant. Per tant, H(z) no és constant, sinó que varia al llarg del temps còsmic seguint la desacceleració i acceleració de l’Univers.

En els últims anys s’ha fet un esforç important per mesurar amb alta precisió el valor local del paràmetre de Hubble-Lemaître conegut com constant de Hubble (H₀). D’una banda, H₀ es pot estimar indirectament en l’Univers primitiu a partir de l’escala angular de fluctuacions en el fons còsmic de microones, i el valor més recent basat en dades del satèl·lit Planck és de 67.4±0.5 km/s/Mpc (quilòmetres per segon per megaparsec, és a dir, en allunyar-nos un megaparsec, 3x10¹⁹ km de la Terra, la velocitat d’expansió augmenta en 67.4 km/s).

D’altra banda, H₀ es mesura directament en l’Univers local a través del mètode d’escala de distàncies. Aquest consisteix a determinar distàncies a objectes pròxims amb mètodes molt precisos, com ara paral·laxis a estrelles, paràmetres de binàries eclipsants, o emissió màser en nuclis de galàxies, i usar aquestes distàncies conegudes per calibrar un altre indicador secundari que pugui usar-se a distàncies encara més grans. Finalment, aquest calibrador secundari pot usar-se per calibrar a un altre que tingui un abast encara major.

El projecte SHOES liderat per Adam Riess, un dels guanyadors del premi Nobel de física del 2011, ha proporcionat la mesura més precisa d’H₀ fins ara en l’Univers pròxim, 73.04±1.04 km/s/Mpc, usant com a ancoratges en el primer esglaó de l’escala de distàncies paral·laxis a estrelles cefeides a la Via Làctia mesurats amb el satèl·lit Gaia, binàries eclipsants en el Gran Núvol de Magallanes, i emissió màser en el nucli de la galàxia NGC 4258. Aquestes distàncies serveixen per calibrar la relació període-lluminositat de les estrelles pulsants cefeides, el mateix mètode que va usar Leavitt a principis del segle XX, en aquestes tres galàxies i així poder determinar distàncies a d’altres més llunyanes on també es detecten cefeides. En el segon esglaó de l’escala s’usen les distàncies de cefeides per calibrar la lluentor de supernoves de tipus Ia, que al seu torn i gràcies a la seva major lluminositat s’usen en el tercer esglaó per mesurar distàncies a galàxies encara més llunyanes.

Sorprenentment, aquestes mesures independents i trobades estudiant els dos extrems de l’Univers han revelat una discrepància dramàtica denominada tensió de Hubble: la mesura d’H₀ a partir de l’escala de distància local està en fort desacord (a un nivell de 5σ, o una probabilitat cada tres milions i mig) amb el valor inferit en l’Univers primitiu, apuntant a un problema en el model estàndard de cosmologia que probablement obre la porta a nova física. Aquesta discrepància representa el trencaclosques més urgent de la cosmologia moderna, i és avui dia un dels seus temes més candents.

És per això que el nostre grup de cosmologia observacional de supernoves (SNICE) a l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) pretén avançar cap a la solució d’aquesta tensió des de dues perspectives diferents.

En primer lloc, per abordar les principals incerteses sistemàtiques en els principals mètodes de mesurament d’H₀, cefeides i supernoves tipus Ia, estem realitzant un estudi sense precedents dels entorns locals d’aquests objectes. L’exquisida mostra de centenars de galàxies pròximes on han explotat aquests objectes, les observarem amb fotometria en múltiples longituds d’ona, espectroscòpia de camp integral i polarimetria; aplicarem les noves tècniques astroestadístiques, i maparem les seves propietats locals com ara la metalicitat, l’edat, la massa estel·lar i l’extinció de la pols, per estudiar el seu efecte en l’estimació de distàncies i en la determinació d’H₀ (Veure Figura 1). Qualsevol relació de la lluentor de la supernova amb paràmetres de l’entorn que millori l’estandardització d’aquests objectes reduirà la incertesa en el seu ús com a mesuradors de distàncies extragalàctiques.

En segon lloc, pretenem reconstruir el panorama del nostre supercúmul de galàxies anomenat Laniakea mitjançant l’estudi de velocitats peculiars de galàxies utilitzant observacions de supernoves de tipus Ia en l’infraroig proper. Atès que l’Univers no és homogeni ni isòtrop a petites escales, les velocitats pròpies de les galàxies no sols es deuen a l’expansió cosmològica, sinó que també es veuen afectades per les atraccions gravitatòries de les pertorbacions de densitat. La diferència entre aquestes velocitats degudes a atracció local i la deguda a l’expansió, i sobretot la seva correlació espacial, proporciona informació de com està distribuïda la matèria fosca en el supercúmul local.

Amb aquest estudi s’expandirà la cosmografia de l’Univers local i, en última instància, es realitzaran mesuraments precisos d’H₀ i de la taxa de creixement de l’estructura còsmica.

Figura 1: Imatge en color artificial de la galàxia NGC 1762, que va albergar la supernova tipus Ia iPTF13dge, resultat de combinar tres imatges: observació del telescopi espacial Hubble amb el filtre F275W que cobreix el rang ultraviolat (en blau), mapa d’emissió de gas ionitzat d’hidrogen Balmer Hα obtingut amb l’espectrògraf de camp integral MUSE amb el telescopi de 8.2m Very Large Telescope en l’observatori de Cerro Paranal a Xile (verd), observació sintètica en banda infraroja construïda a partir de la mateixa observació de MUSE (en vermell). La llum vermella indica la distribució de les poblacions estel·lars més velles, mentre que la llum blava i la verda mostren regions HII on es localitzen estrelles més joves o, fins i tot, on s’estan formant estrelles, respectivament. La creu groga indica la posició on es va descobrir la supernova iPTF13dge a prop. L’estudi de la regió pròxima a la SN posa restriccions a les propietats de la seva estrella progenitora  - Imatge: © L. Galbany

NOTA:

Artícle públicat al web de l’Agència Estatal d’Investigació (AEI).