Los avances técnicos en la capacidad de observación de la naturaleza suelen proporcionar pistas iniciales sobre escenarios hasta entonces insospechados y generar datos más precisos de fenómenos conocidos. Dos estudios recientes basados en informaciones e imágenes producidas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el artefacto más costoso y potente lanzado al espacio por los seres humanos para estudiar el Universo, ponen de relieve nuevos hallazgos en ese sentido que no encajan del todo con la teoría más aceptada al respecto de la formación y evolución del cosmos.
Uno de ellos se refiere al inesperado descubrimiento de galaxias maduras en los lejanos albores del universo, un tipo de estructuras que, en principio, deberían haber surgido más adelante. El otro acentúa un disenso que ya lleva décadas acerca de la velocidad de expansión del Universo, un parámetro clave para entender la dinámica celeste de las estrellas, galaxias, agujeros negros, sistemas planetarios y todo lo demás existente en el espacio. Junto con el descubrimiento de estrellas antiguas, este índice es otro componente importante para inferir la propia edad del cosmos, actualmente estimada en 13.800 millones de años.
Los datos que han causado cierto revuelo e incomodidad empezaron a aparecer a principios de este año. Un artículo publicado en la revista Nature en febrero informaba del probable hallazgo de seis galaxias completamente formadas cuando el universo aún estaba en su infancia y solamente tenía un 5 % de su tiempo de vida actual. En un período entre 500 y 700 millones de años después del Big Bang, la explosión primordial que habría dado origen al cosmos, estas galaxias ya exhibían un tamaño casi igual al de la Vía Láctea.
“Estos objetos son mucho más masivos de lo que se pensaba”, dijo en un comunicado a la prensa el astrofísico Joel Leja, de la Universidad Estadual de Pensilvania (EE. UU.), autor principal del estudio. “En ese período tan solo esperábamos toparnos con galaxias bebés, pequeñas y jóvenes, pero hemos descubierto galaxias tan maduras como la nuestra en los tiempos que se estimaba eran la alborada del universo.
A diferencia de las magníficas imágenes de otros cuerpos celestes captadas por el James Webb, que exhibían una extraordinaria abundancia de detalles estéticos, los registros de estas galaxias primordiales no son más que puntos borrosos coloreados en una tonalidad rojiza para lograr cierto destaque. A simple vista decepcionan, pero para los investigadores no es tan así. Nunca se habían observado galaxias tan desarrolladas, que parecen discordar con su tiempo y espacio habituales, en la infancia del universo.
“No se trata de una discrepancia banal. Este hallazgo es como encontrar a los padres y a sus hijos en el mismo momento de un cuento en el que los abuelos aún son niños”, escribieron, en un artículo de opinión publicado en septiembre en el periódico estadounidense The New York Times, el físico teórico brasileño Marcelo Gleiser, del Dartmouth College, y el astrofísico Adam Frank, de la Universidad de Rochester (EE. UU., en ambos casos). En el comentario, los dos científicos, que no participan de los estudios iniciales con los datos del James Webb, afirman que la nueva información proporcionada por el supertelescopio, sumada a otros asuntos pendientes, podría conducir a una revisión de la cosmología.
“El James Webb está comenzando su período de observaciones y aún se lo está calibrando. Tenemos que aguardar algunos meses para poder obtener datos más consolidados”, dice el astrofísico Thiago Signorini Gonçalves, del Observatorio de Valongo de la Universidad Federal de Río de Janeiro (OV-UFRJ), quien estudia la formación y la evolución de las galaxias. “Pero la existencia de estas galaxias formadas poco después del Big Bang ha sido una sorpresa”.
El nuevo telescopio fue lanzado al espacio en diciembre de 2021 y sus primeras imágenes comenzaron a divulgarse en julio del año pasado (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 318). Se lo considera una especie de sucesor del telescopio Hubble, que todavía se encuentra en servicio. Su espejo principal tiene 6,5 metros de diámetro y la superficie colectora de luz es seis veces mayor que la del Hubble.
Ha sido diseñado para observar preferentemente lo que los científicos llaman edad oscura del universo, 300 millones de años después del Big Bang. En aquella época, el cosmos era poco más que una densa nube de hidrógeno. Poco a poco, la materia empezó a aglutinarse y aparecieron las primeras estrellas y galaxias. Esta etapa del universo puede observarse en detalle en el espectro de la radiación infrarroja. Como el cosmos se expande, cuanto más veloz sea el desplazamiento de una galaxia, más se aleja de la Tierra. En estas condiciones, el efecto Doppler reduce la frecuencia de la luz que emite del campo visible al infrarrojo. Es por ello que el James Webb opera esencialmente en el infrarrojo.
Si ya no es fácil explicar la existencia del sexteto de galaxias desarrolladas precozmente en los primordios del universo, más difícil aún es conciliar una divergencia de casi un 9 % entre los dos valores actuales, obtenidos mediante dos métodos distintos, para la tasa de expansión del universo. Este parámetro se denomina constante de Hubble, en referencia al astrónomo que la formuló, el estadounidense Edwin Powell Hubble (1889-1953), cuyo nombre también se utilizó para bautizar al telescopio homónimo.
Se esperaba que el James Webb, con su enorme capacidad de observación, pusiera fin a esa discrepancia, apodada tensión de Hubble. Pero hasta ahora eso no ha ocurrido. “Es un asunto realmente importante”, opina el físico teórico Gustavo Burdman, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP). “Si no puede resolverse, quizá sea menester un replanteo de la física actual, alterando el modelo cosmológico”.
Una forma de calcular la velocidad de expansión del Universo es a partir del análisis de la radiación cósmica de fondo. Este parámetro es un remanente de las ondas electromagnéticas emanadas por las primeras estrellas que se formaron unos 380.000 años después del Big Bang, en cuanto el cosmos empezó a enfriarse. Al medir las propiedades de esta radiación, una especie de fósil del universo incipiente, puede calcularse la constante de Hubble.
ESA /PLANCKMapa de las fluctuaciones de temperatura de la radiación cósmica de fondo emitida 380.000 años después del Big BangESA /PLANCK
El satélite Planck, de la Agencia Espacial Europea (ESA), midió con gran precisión la radiación cósmica de fondo en 2013 y llegó a un valor para la constante de Hubble de 67/68 kilómetros por segundo por millón de pársec (km/s/megapársec). Un pársec corresponde a 3,26 años luz.
El otro método utilizado para determinar la velocidad de expansión del universo se basa en el registro de la variación de la distancia entre las estrellas a lo largo del tiempo. Para este fin, usualmente se observa a las estrellas denominadas cefeidas, un tipo de supernovas gigantes cuyo brillo varía conforme a cierta periodicidad, una característica que las hace útiles para calcular distancias. Mediante esta técnica, se estableció que la velocidad actual de expansión del universo es de 73/74 km/s/megapársec. Los datos recabados por el telescopio Hubble fueron importantes para arribar a esta cifra.
En octubre de este año, un grupo encabezado por el astrofísico Adam Riess, de la Universidad Johns Hopkins, publicó un artículo en la revista Astrophysical Journal Letters con un nuevo cálculo de la constante de Hubble, en este caso, con base en el análisis de 320 cefeidas de dos galaxias, NGC 4258 y NGC 5584, observadas por el James Webb. El resultado ratificó, con mayor nivel de precisión, que la constante de Hubble, cuando se calcula partiendo de este enfoque, es de 73/74 km/s/megapársec.
Según Riess, las mediciones anteriores del telescopio Hubble eran acertadas, pese a que los datos no eran tan pulcros. El investigador fue uno de los ganadores del Premio Nobel de Física de 2011 por los estudios con cefeidas que proporcionaron evidencias de que el cosmos se expande a un ritmo vertiginoso. “Lo que aún no explican estos nuevos datos es por qué el universo se expande tan rápidamente”, dijo, en el material de divulgación del estudio.
Esto no significa que la velocidad de expansión del universo calculada mediante el método que utiliza la radiación cósmica de fondo sea errónea. “La medición de la constante de Hubble ha alcanzado un alto nivel de precisión, con un margen de error de alrededor del 1 %. No obstante, las dos maneras independientes de calcularla presentan una disparidad significativa, de aproximadamente 5 desviaciones estándar”, explica el físico Rogério Rosenfeld, del Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp). “Esto puede estar indicando una necesidad de cambiar el modelo cosmológico estándar”. En la actualidad, este modelo sugiere que el cosmos está constituido por un 5 % de materia normal (visible), un 26 % de materia oscura y un 69 % de energía oscura. La naturaleza de estos dos últimos componentes se desconoce.
Es posible que la persistencia de la tensión de Hubble sea un indicador de que está faltando algún ingrediente fundamental en la composición del universo. En un artículo publicado en octubre de este año en la revista científica Physical Review D, Rosenfeld y un colaborador barajaron la idea de introducir en el modelo cosmológico estándar un nuevo tipo de componente. Sería la energía oscura inicial, solamente presente en el universo primigenio.
Su inclusión podría dar como resultado una corrección del valor de la tasa de expansión del universo calculada a partir de la radiación cósmica de fondo hasta una cifra compatible con la obtenida a través del análisis del desplazamiento de las cefeidas. Esta es una posibilidad. Es probable que surjan otras a medida que el James Webb y otros instrumentos de observación modernos proporcionen datos cada vez más precisos sobre diferentes objetos, épocas y fenómenos cósmicos.
Proyecto
ICTP – Instituto sudamericano de física fundamental. Un centro regional para la física teórica (nº 21/14335-0); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Nathan Jacob Berkovits (Unesp); Inversión R$ 13.036.127,20.
Artículos científicos
LABBÉ. I. et al. A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang. Nature. 22 feb. 2023.
RIESS, A.G. et al. Crowded No More: The Accuracy of the Hubble Constant Tested with High Resolution Observations of Cepheids by JWST. The Astrophysical Journal Letters. 16 oct. 2023.
SOUZA, D. H. F. y ROSENFELD. R. Can neutrino-assisted early dark energy models ameliorate the H0 tension in a natural way? Physical Review D. 10 oct. 2023.
Republicar
