H0LiCOW mide la constante de Hubble mediante lentes gravitacionales de cuásares

Dibujo20170209 H0LiCOW hubble constant measurement shsuyu github io

El proyecto H0LiCOW (H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring) ha medido la constante de Hubble con una precisión de un 3,8%. El valor obtenido, H0 = 71,6 ± 2,7 km/s/Mpc, es compatible con el valor obtenido por Riess et al (2016) usando la escalera de distancias, H0 = 73,24 ± 1,74 km/s/Mpc, que tiene un 2,4% de precisión. Sin embargo, está a 3,4 sigmas del valor de Planck 2015 de H0 = 67,8 ± 0,9 km/s/Mpc que tiene una precisión del 1,3%. No sabemos cuál es la causa de la tensión entre las medidas directas y las estimaciones cosmológicas indirectas. Tampoco sabemos qué valor es más fiable, aunque en mi opinión todo apunta al valor de Planck 2015.

Me gustaría destacar que la investigadora principal del proyecto H0LiCOW es la joven taiwanesa Sherry H. Suyu, afincada en el Instituto Max Planck de Astrofísica. La medida se basa en los tiempos de retraso de las imágenes de tres lentes gravitacionales HE 0435–1223, B1608+656 y RXJ1131–1223, aunque la precisión depende sobre todo de la primera. También se han analizado otras dos más, WFI2033–4723 y HE 1104–1805, pero no afectan mucho a la precisión del resultado final (que se reduce del 3,8% a solo el 3,5%). El análisis de estas fuentes es muy complicado y la muestra estudiada es pequeña, por lo que, en mi opinión, el valor de la constante de Hubble obtenido por H0LiCOW ha de ser tomado con alfileres. Y no se debería sacar mucha punta al lápiz en relación a su coincidencia con el valor de Riess et al. (2016).

El nuevo resultado con tres lentes se presenta en V. Bonvin, F. Courbin, …, C. Spiniello, “H0LiCOW V. New COSMOGRAIL time delays of HE0435-1223: H0 to 3.8% precision from strong lensing in a flat ΛCDM model,” MNRAS (2017), doi: 10.1093/mnras/stw3006, arXiv:1607.01790 [astro-ph.CO]. El análisis detallado de la fuente HE 0435 se presenta en Kenneth C. Wong, Sherry H. Suyu, …, Nicholas Rumbaugh, “H0LiCOW IV. Lens mass model of HE 0435-1223 and blind measurement of its time-delay distance for cosmology,” MNRAS (2017), doi: 10.1093/mnras/stw3077, arXiv:1607.01403 [astro-ph.CO]. El análisis de las cinco lentes gravitacionales se presenta en S. H. Suyu, V. Bonvin, …, C. Spiniello, “H0LiCOW I. H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring: Program Overview,” MNRAS (2017), arXiv:1607.00017 [astro-ph.CO].

Si estás interesado en más detalles sobre el análisis de HE 0435, puedes consultar la estimación de la distribución de masa de la lente en D. Sluse, A. Sonnenfeld, …, M. Tewes, “H0LiCOW II. Spectroscopic survey and galaxy-group identification of the strong gravitational lens system HE0435-1223,” MNRAS (2017), arXiv:1607.00382 [astro-ph.CO], y de la distribución de masa entre la lente y nosotros en Cristian E. Rusu, Christopher D. Fassnacht, …, Leon V. E. Koopmans, “H0LiCOW III. Quantifying the effect of mass along the line of sight to the gravitational lens HE 0435-1223 through weighted galaxy counts,” MNRAS (2017), arXiv:1607.01047 [astro-ph.GA]. La calidad de estas reconstrucciones se ha comparado mediante simulaciones con las imágenes observadas en Xuheng Ding, Kai Liao, …, Kenneth C. Wong, “H0LiCOW VI. Testing the fidelity of lensed quasar host galaxy reconstruction,” MNRAS 465: 4634-4649 (11 Mar 2017), doi: 10.1093/mnras/stw3078, arXiv:1610.08504 [astro-ph.GA]. Más artículos de H0LiCOW en ArXiv si aún quieres más.

En este vídeo la propia Suyu, y dos colegas, te cuentan el método usado. Una lente gravitacional cercana (una galaxia a z=zd) curva la luz de una fuente (un cuásar lejano a z=zs) produciendo varias imágenes (una cruz de Einstein y un anillo de Einstein). Cada imagen del cuásar recorre un camino óptico diferente (con una longitud diferente, lo que implica cierto retraso de unas respecto a otras). Si la curva de luz del cuásar es variable, se puede comparar la variación de la luz que vemos en cada una de las imágenes. Se observa un retraso, que depende de la distancia recorrida. Estudiando el retraso entre las variaciones de luz de cada cuásar se logra estimar la constante de Hubble (la tasa de expansión actual del espaciotiempo) sin recurrir a un modelo cosmológico. Por supuesto, el análisis preciso requiere estimar con precisión la distribución de masa de la galaxia lente y de todas las galaxias que se encuentran en el camino de la luz del cuásar hacia nosotros. Un análisis que supone todo un reto.

Dibujo20170209 H0LiCOW lens sample HST imaging bands in the optical

Esta figura ilustra las bellas imágenes de las lentes gravitacionales estudiadas. El análisis más preciso se ha obtenido con HE 0435−1223, un cuásar situado a zs = 1,693 con una galaxia lente a zd = 0,4546 del que observamos cuatro imágenes y un anillo. Le sigue en precisión WFI2033−4723, cuyo cuásar está a zs = 1,662 y cuya lente está a zd = 0,661, pero con varias galaxias entre nosotros y la fuente. La fuente RXJ1131−1231 muestra un espectacular anillo de Einstein, con múltiples arcos, pero corresponde a un cuásar más cercano, zs = 0,654, a su galaxia lente zd = 0,295. La lente HE 1104−1805 muestra solo dos imágenes del cuásar a zs = 2,316 con la lente a zd = 0,729. Finalmente, B1608+656 muestra un cuásar a zs = 1,394 con una galaxia lente a zd = 0,6304; esta fue la primera lente en la que se midió el retraso entre las imágenes.

Dibujo20170209 Light curves for the four lensed images of the quasar HE 0435-1223

Esta figura muestra las curvas de luz de las cuatro imágenes de la lente HE 0435. La curva A está sin desplazar, pero las otras tres curvas se han desplazado en vertical para mostrarlas con más claridad y que no se superpongan [Gracias a Héctor Vives-Arias por la oportuna aclaración].

Dibujo20170216 time delays of he0435-1223

[PS: Gracias a Héctor Vives-Arias]. Esta figura muestra los retardos reales en este sistema (en días). Respecto a la imagen A, la imagen B tiene un retardo de −8,8 días, la imagen C de −1,1 días, y la imagen D de −13,8 días. [/PS]

Dibujo20170209 universe curvature and dark energy equation of state as function of hubble constant

¿Cómo se puede explicar la tensión entre la nueva medida y el modelo ΛCDM? La costumbre es presentar cambios en los parámetros cosmológicos compatibles con la nueva medida. No lo voy a hacer, porque no tiene mucho sentido, como muestra esta figura. A la izquierda tienes la curvatura del espacio, Ωk=0 en ΛCDM, y a la derecha la ecuación de estado de la energía oscura, ω=−1 en ΛCDM. Las curvas negras limitan la región que ofrece H0LiCOW (marcada con TDSL). El error es enorme, así que hay que combinar su valor con datos cosmológicos. En gris claro WMAP+TDSL, en gris oscuro Planck+TDSL, y el resultado más fiable en rosa (Planck+TDSL+BAO+JLA).

Los resultados son compatibles con el modelo ΛCDM. Aún así habrás leído en algunos artículos divulgativos y periodísticos que TDSL prefiere un valor ω=−1,38 ± 0,14 (un campo fantasma como responsable de la energía oscura), o una curvatura ligeramente negativa. Mira de nuevo las curvas negras de la figura. La verdad, tiene poco sentido destacar esas minucias (dada la enorme incertidumbre de los datos TDSL).

Dibujo20170209 observed simulated images of quasar lenses h0licow

En resumen, la medida de H0LiCOW es muy prometedora, pero con tan pocas fuentes estudiadas solo es una prueba de concepto. Será necesario descubrir unas cuantas lentes gravitacionales tan buenas como HE 0435 para que el error en las medidas de la constante baje del 1% y sean comparables a las medidas de Planck 2015. ¿Qué pasará entonces? Me atrevo a conjeturar que el valor obtenido bajará, se acercará al de Planck y se rebajará la tensión. Habrá que estar atentos a estos futuros estudios. Sin lugar a dudas habrá que seguir de cerca la prometedora carrera investigadora de la joven Suyu.

Por cierto, he participado en el programa Ep97 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido, donde hemos hablado de este trabajo. Cuando esté disponible el audio publicaré el enlace. En dicho programa me han recomendado la charla de Licia Verde, “Beyond precision cosmology: some examples,” IAC Talks, 31 Jan 2017 [video]. Discute las tensiones entre Planck, la escalera de distancias y H0LiCOW. Muy interesante, aunque opina todo lo que contrario que yo en esta entrada, seguro que la disfrutarás.

6 Comentarios

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Mr. DoubtlengthMr. Doubtlength

Tengo una duda que no consigo aclarar. Si no estoy equivocado, el método de lentes es sensible a la distancia, aunque imagino que errores muy groseros deberían hacerse obvios. Pero el método de Planck es ajeno a este problema, ¿no?

Francisco R. Villatoro

Mr. Doubtlength, la constante de Hubble en la actualidad (z=0) se calcula aplicando una fórmula matemática que asume la validez del modelo cosmológico de consenso cuyos parámetros se obtienen cuando se formó el fondo cósmico de microondas (CMB), z ~ 1100. La fórmula es sencilla (trigonometría esférica elemental) pero depende de varios parámetros que describen el contenido del universo (densidades de materia, radiación y energía del vacío). Por tanto el valor final cambia si alguno de estos parámetros no se considera fijo, y además depende fuertemente del modelo cosmológico.

En relación a tu pregunta, ¿depende de la distancia? La respuesta es que depende del valor z que se asigne a la formación del CMB. El valor habitual z = 1100 equivale a una distancia, obviamente. Las medidas de H0LiCOW se refieren a medidas desde la posición de la lente (z < 1) hasta nosotros (z=0); su ventaja no es la distancia, sino que no necesitan usar cómo varía los parámetros cosmológicos con la distancia (ya que de z=1 a z=0 casi no varían, porque han pasado pocas cosas); sin embargo, de z=1100 a z=0 han pasado muchas cosas en el universo y hay una variación importante de los parámetros, que sabemos calcular bien, pero que hay que calcular usando un modelo.

DarkSapiens

Hola Francis, no había tenido tiempo de leer esta entrada hasta ahora.

Quería comentar que en la gráfica de las curvas de luz de HE 0435 no se han desplazado horizontalmente para que encajen, sino que esos números que aparecen son desplazamientos en magnitud (el eje vertical), simplemente para mostrarlas con más claridad y que no se superpongan. Además, es imposible de momento medir retardos de menos de un segundo como los que indicas en el texto (de hecho el quásar tarda bastante más de un segundo en cambiar de brillo). En la figura 3 del paper se pueden ver los retardos reales en este sistema (en días), y en el paper IV de H0LiCOW están listados. Respecto a la imagen A, la imagen B tiene un retardo de -8.8 días, la imagen C de -1.1 días, y la imagen D de -13.8 días.

¡Saludos!

MargaritaMargarita

Gracias por este artículo, me ayudó en entender mejor este asunto. Sin embargo, me ha dejado un poca perpleja sobre la referencia a la investigstora principal (dijiste: “Me gustaría destacar que la investigadora principal del proyecto H0LiCOW es la joven taiwanesa Sherry H. Suyu, afincada en el Instituto Max Planck de Astrofísica”) – pero no explicaste la razón de que estos hechos debe ser destacados.
(Y…La doctora Suyu recibió su PhD de Caltech hace casi nueve años… ¿Quizás ella no es en realidad muy joven? )

Francisco R. Villatoro

Margarita, el articulo se escribió la semana de actos del Día Internacional de la Mujer y la Niña en Ciencia; muchos divulgadores destacamos la presencia de mujeres en nuestros artículos durante dicha semana de celebración. En general, no me esfuerzo en destacar la presencia de mujeres en todos y cada uno de mis artículos, pero todos los estudios de género indican que es una práctica necesaria para visibilizar el rol actual de la mujer en ciencia, sobre todo de cara a maximizar el número de vocaciones entre las jóvenes.

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