La utilidad de las lentes gravitacionales para calcular la expansión del universo

Desde el momento en el que empezó a existir hace más de 13 000 millones de años, el universo ha estado expandiéndose y sus galaxias se alejan las unas de las otras. Para entender las leyes físicas que rigen el cosmos, los astrónomos han intentado medir uno de los números más importantes en la cosmología, la constante de Hubble, que describe la velocidad a la que se produce esta expansión y la edad del universo.

Pero recientemente, varias iniciativas para hallar el valor de la constante de Hubble han desvelado una posible crisis en la cosmología: el universo parece estar expandiéndose más rápido de lo previsto. De confirmarse, este cambio desconcertante obligaría a los astrofísicos a replantearse los fundamentos de nuestro universo, que actualmente no contemplan dicho cambio ni siquiera tras tener en cuenta la energía oscura, una fuerza misteriosa que provoca la aceleración de la expansión del universo.

Un equipo de investigadores ha anunciado una nueva forma de analizar el problema examinando galaxias tan masivas que deforman el espacio-tiempo a su alrededor y curvan la luz lejana como si fueran lentes gigantes.

Los resultados, publicados en la revista Science el jueves, no desbaratan nada por sí solos. Dentro de los márgenes de error, la última medición coincide con intentos anteriores de hallar este valor cósmico fundamental. Pero como prueba de concepto, el artículo demuestra que este método nuevo y prometedor funciona, algo emocionante porque utiliza menos supuestos sobre la estructura de nuestro universo que otros métodos para determinar la constante de Hubble.

«Podemos aportar una perspectiva única a la hora de medir la constante de Hubble», afirma Inh Jee, autora principal del estudio, que completó el trabajo como investigadora posdoctoral en el Instituto Max Planck de Astrofísica.

El ataque de los clones

Hasta hace poco, los astrónomos solo disponían de dos métodos principales para calcular la constante de Hubble.

Para deducir su valor a partir del universo primitivo, los científicos usan datos del satélite Planck, que mide la radiación de fondo de microondas, el brillo emitido unos 380 000 años después del big bang. Bajo determinados supuestos sobre la naturaleza fundamental del universo, los datos del Planck sugieren que la constante de Hubble debería tener un valor de 67,4 kilómetros por segundo por megapársec, 0,5 arriba o abajo. (Un pársec equivale a una distancia de aproximadamente 3,26 años luz y un megapársec es un millón de pársecs.)

Pero también se puede estimar la constante de Hubble a partir de estrellas y galaxias mucho más modernas, y estos métodos no dependen de dichos supuestos. Determinados tipos de estrellas y explosiones estelares tienen brillos estándar; al comparar sus brillos previsibles con los observados, se puede desentrañar la distancia a la que se encuentran los objetos. Los astrónomos pueden relacionar sus distancias con la velocidad a la que la expansión del universo nos separa de ellos, algo que se observa en los cambios en la luz de los objetos. Este enfoque —perfeccionado por un grupo de investigación llamado SH0ES— otorga a la constante de Hubble un valor de 73,5, con un margen de 1,7 arriba o abajo.

«La analogía que me gusta es medir la altura de un niño de dos años y predecir cuál será su altura final de adulto... Después mides la altura del adulto y piensas: “¡Madre mía, no es constante en absoluto, es 30 centímetros más alto de lo que pensábamos!”», explica Adam Riess, líder del SH0ES y astrónomo de la Universidad Josh Hopkins.

Para comprobar si la discrepancia es real, los astrónomos han recurrido a otros métodos independientes para obtener la constante de Hubble. Aquí es donde entra COSMOGRAIL. Esta iniciativa con sede en Suiza busca y supervisa lentes gravitacionales, regiones del espacio que contienen tanta masa que deforman el propio espacio-tiempo, tanto que curvan la luz que lo atraviesa.

A veces, una lente gravitacional se encuentra directamente entre nosotros y un objeto lejano, y curva tanto su luz que vemos varias imágenes del objeto «clonadas» en torno al borde de la lente. Dichas imágenes no están sincronizadas en el tiempo. La luz de una imagen podría estar menos curvada, atravesando la lente de forma más recta y rápida. La luz de otra imagen podría haberse retrasado al atravesar un espacio-tiempo bastante deformado.

COSMOGRAIL supervisa las lentes gravitacionales retroiluminadas por cuásares, objetos muy brillantes alimentados por agujeros negros supermasivos. Las imágenes amplificadas del cuásar parpadean tanto como el propio cuásar, pero no al mismo tiempo. Estos retrasos diminutos dependen de la distribución de la masa dentro de la lente y las distancias entre nosotros, el cuásar y la lente. Si los investigadores averiguan la masa necesaria para obtener el efecto de lente gravitacional observado, pueden combinarla con los retrasos temporales para estimar la constante de Hubble.

Un grupo llamado colaboración H0LiCOW ha empleado este método y su estimación de la constante de Hubble —73,3, con un margen de 1,8 arriba o abajo— coincide con los resultados de SH0ES. En julio, H0LiCOW anunció que había una probabilidad inferior a una entre 10 millones de que la diferencia entre los resultados combinados de ambos equipos y el valor del Planck fuera una coincidencia.

El despertar de la fuerza

Como demuestran Jee y sus colegas, los cuásares con efecto de lente gravitacional de H0LiCOW son un regalo que perdura: pueden dividirse de una forma totalmente diferente para estimar la constante de Hubble.

Si la materia del centro de la lente gravitacional es una galaxia, puede medirse la velocidad de rotación de las estrellas de dicha galaxia y combinar estos datos con los retrasos temporales para averiguar la anchura de la galaxia. Comparando su diámetro real con su tamaño aparente en el firmamento, los investigadores pueden indicar la distancia entre nosotros y la galaxia sometida al efecto de lente gravitacional.

Jee y sus colegas se centraron en dos objetos llamados B1608+656 y RXJ1131-1231, lentes gravitacionales que curvan la luz de cuásares lejanos. Empleando el nuevo método, averiguaron que B1608+656 está a 4000 millones de años luz de nosotros y RXJ1131-1231, a 2600 millones de años luz.

A continuación, combinaron estas distancias con los cambios de la luz de las galaxias para calibrar las estimaciones de la constante de Hubble. Los resultados de los investigadores afirman que su valor es 82,4, con un margen de 8,4 arriba o abajo, situando el valor en la misma esfera que los de H0LiCOW y SH0ES.

Sherry Suyu, coautora del estudio, indica que H0LiCOW ya está aprovechando este nuevo método para perfeccionar sus estimaciones de Hubble y añade que, en el futuro, el método de Jee dispondrá de muchos más datos. Según Suyu, solo en los últimos tres años, los astrónomos han encontrado unos 40 nuevos cuásares sometidos al efecto de lente gravitacional como los empleados en el estudio de Science.

«Es asombroso», afirma Suyu, líder del grupo del Instituto Max Planck de Astrofísica. «Puede medirse la distancia de una galaxia a miles de millones de años luz con una incertidumbre de unos pocos puntos porcentuales, [que] no está nada mal».

Aunque el estudio de Jee aún estaba siendo sometido a revisión, otro estudio de Radosław Wojtak y Adriano Agnello, publicado a principios de este año en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, también demostró que esta técnica funciona.

«Este es solo el punto de partida de este método», afirma Wojtak, astrofísico de la Universidad de Copenhague. Con todo, siguen apareciendo más métodos. En el futuro, las detecciones de las ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo producidas por las colisiones de estrellas de neutrones, podrían proporcionar otra estimación.

Pero por ahora, la cosmología se encuentra al borde del precipicio y podría estar a punto de tambalearse hacia lo desconocido.

«La pregunta principal, creo, es si nuestro modelo cosmológico peligra», afirma Wojtak. «No conozco la respuesta a esa pregunta, pero puedo afirmar que nos acercamos al momento en que debemos considerar esta opción muy seriamente».

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.