El problema de la constante de Hubble

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El ritmo de expansión del universo se llama constante de Hubble, aunque en rigor debería llamarse parámetro de la ley de Hubble, porque no es constante. El valor actual H(0) ≡ H0 se estima por extrapolación. Se puede usar la escalera de distancias para medir el valor de H(z) con z<0,2, o el fondo cósmico de microondas para estimar el valor H(1100). El problema de la constante de Hubble es que ambos métodos conducen a un valor diferente a unas tres sigmas. ¿Por qué? Quizás hay errores sistemáticos en estas extrapolaciones que no han sido tenidos en cuenta; o quizás haya nueva física con un papel relevante aún por descubrir.

Edwin Hubble en 1929 estimó que H(0) = 500 km/s/Mpc, pero sobre el año 2000 sabíamos que su valor estaba entre 50 y 100 km/s/Mpc. El telescopio espacial Hubble (HST) estimó en 2001 un valor de 72 ± 2 ±7 km/s/Mpc. En los últimos 15 años dicho valor ha tomado dos caminos separados. Las medidas basadas en la escalera de distancias (con variables cefeidas para z ~ 0 y supernovas Ia para z ~ 0,1) conducen a un valor de 73 km/s/Mpc con un error del 2,4 %. Las medidas usando lentes gravitacionales débiles (H0LiCOW) ofrecen un valor de 71,9 ± 2,7 km/s/Mpc (un error del 3,8 %). Sin embargo, las medidas cosmológicas de los telescopios espaciales WMAP (NASA) y Planck (ESA), junto a los datos de oscilaciones bariónicas acústicas (BAO), apuntan a un valor más bajo de solo 67,8 ± 0,9 km/s/Mpc (con un error de solo el 1,3 %).

¿Cuál es la causa de la discrepancia? La extrapolación más forzada es la cosmológica. Quizás haya errores sistemáticos en nuestra manera de estimar H(0) a partir de H(1100). El universo ha cambiado mucho en los últimos 13 400 millones de años. Se espera que el telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA nos ofrezca datos sobre el universo temprano en el próximo lustro que ayuden a la solución de este problema. Nos lo cuenta Wendy L. Freedman, “Cosmology at at Crossroads: Tension with the Hubble Constant,” Nature Astronomy 1: 0121 (2017), doi: 10.1038/s41550-017-0121, arXiv:1706.02739 [astro-ph.CO].

19 Comentarios

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notengoniideanotengoniidea

Muy interesante, como siempre Francis, se echa un poco en falta en el artículo alguna explicación de cómo se calcula la constante mediante cada método, a lo mejor es algo obvio para los que sí sabéis de estos temas pero creo que no lo he visto explicado en otros artículos.

Lo digo porque siempre he visto con bastante desconfianza los datos del fondo cósmico de microondas, en mi opinión todo el proceso de “resta” de las fuentes que están en primer plano es demasiado especulativo, medimos algo porque no sabemos y para medirlo incluimos estimaciones como si supiéramos.

Por ejemplo, si se siguen detectando ondas gravitacionales provenientes de una población de agujeros negros de tamaño medio ¿afecta su existencia a ese proceso de filtrado que hacemos de la señal del fondo cósmico de microondas?

Estamos suponiendo que si una nube de polvo cósmico recibe “x” cantidad de radiación, al final acaba emitiendo la misma cantidad de radiación, que adquiere una temperatura determinada, que emite microondas de tal manera, ¿cómo afecta a todo esto el hecho de que pudiera haber un montón de agujeros negros pululando por ahí que se tragan la radiación pero no emiten nada?

Francisco R. Villatoro

NoTengoNiIdea, se calcula igual que los demás parámetros del modelo cosmológico de consenso LCDM por ajuste mediante un método estadístico tipo Montecarlo basado en cadenas de Markov. Cada parámetro corresponde a una contribución teórica a los picos acústicos del espectro multipolar de anisotropías térmicas; por ejemplo, el segundo pico depende de la densidad bariónica multiplicada por la constante de Hubble, Ωb*H0^2, o el tercer pico depende de la densidad total de materia (bariónica más oscura) multiplicada por la constante de Hubble, Ωm*H0^2. El mejor ajuste de la predicción teórica al espectro observado permite obtener una estimación a los parámetros del modelo.

¿Cuál es el problema? Que estamos ajustando un modelo teórico que está basado en ciertas hipótesis, como que la densidad total de energía del universo Ω=1; por tanto parámetros como la constante de Hubble dependen de otros parámetros, en este caso, de la densidad de energía oscura y de su ecuación de estado (normalmente se asume que esta última corresponde a una constante cosmológica w=-1). Si hubiera nueva física (como una energía oscura dinámica, nuevas partículas ultrarrelativistas similares a los neutrinos, etc.) podría ocurrir que nuestra estimación sea incorrecta y habría de ser modificada.

¿Quieres conocer los detalles? Cualquier libro de cosmología te lo cuenta en detalle. Te recomiendo uno específico, como el estupendo libro de Ruth Durrer, “The Cosmic Microwave Background,” CUP (2008).

notengoniideanotengoniidea

Gracias por la respuesta, sospechaba que iban por ahí los tiros ya que es siempre la misma historia cuando se trata de sacar información de los datos del fondo de microondas, como en el caso de las “modos-B” de los que se habló en su momento.

Ya digo, no le tengo mucha confianza a esas medidas del fondo por el asunto de la supresión de los objetos de nuestra galaxia o fuentes conocidas.

Disculpa mi desconocimiento pero tengo curiosidad por saber si el fondo cósmico de microondas tiene el mismo aspecto visto desde cualquier punto del Universo o solo tiene un aspecto similar.

¿No se podría medir el fondo desde puntos muy lejanos entre sí y extraer algún tipo de información, por ejemplo para restar fuentes en primer plano que supongo se verían afectadas por el paralaje?

¿Es una burrada muy gorda?

Francisco R. Villatoro

NoTengoNiIdea, en relación a tus otras preguntas. “¿Una población de agujeros negros afecta al análisis del fondo cósmico de microondas?” No, pues cuando se formó el CMB no existían agujeros negros de masa estelar en el universo; si hubieran existido tú y yo no estaríamos aquí. “Una nube de polvo cósmico…” en cosmología no tiene sentido hablar de objetos a pequeña escala; por debajo de la escala de supercúmulos nada es relevante y la relevancia de dicha escala es muy pequeña.

notengoniideanotengoniidea

Gracias por la respuesta, a mí lo que me preocupa de la obtención de los datos de fondo cósmico es que, según tengo entendido, hay un “cocinado” de los datos, hay que restar fuentes conocidas, es decir, fotones que no vienen de la formación del CMB.

Y suponía que si en la medición hay fotones que no vienen del CMB, también habrá fotones del CMB que no nos llegan posiblemente porque se los trague algún objeto.

Francisco R. Villatoro

NoTengoNiIdea, el análisis de los mapas del CMB a diferentes frecuencias no es sencillo, pero se sabe realizar muy bien y no ha dudas sobre el “cocinado” de los datos (no en balde llevamos aprendiendo a hacerlo bien unos 25 años, tras COBE, WMAP, Planck y otros telescopios terrestres). Todos los programas usados son de código abierto y están disponibles para quien quiera repetir los análisis (o “mejorar” algún detalle de los mismos).

El espectro multipolar se basa en correlaciones a dos puntos (y a tres puntos) que reduce muchísimo el efecto de dichas fuentes puntuales; hoy en día se sabe lidiar muy bien con las posibles fuentes puntuales, que se pueden descontar usando máscaras. Por tanto la estimación de los parámetros cosmológicos es robusta ante el posible efecto de dichas fuentes puntuales.

Por cierto, los mapas de “verdad” del CMB están llenos de “agujeros”, pero a nivel divulgativo se suele omitir este detalle y se presentan “pintados” (proceso llamado impainting). Dichos mapas “pintados” no se usan en las estimaciones de los parámetros del CMB. Ya hablé de este tema en Naukas Bilbao 2013 (las dudas que mostré sobre la comparación con WMAP9 se resolvieron gracias a los datos de Planck 2015 como conté aquí).

Paul BarbadewPaul Barbadew

Buenas Francis
Una duda que me quedó escuchando el podcast de Coffe Break. Decíais que la posibilidad de que estuviésemos cerca de una zona de “supervacío” podría ayudar a aliviar esta tensión
¿Por qué afectaría eso?

Gracias

Francisco R. Villatoro

Paul, si estuviéramos dentro de un supervacío de unos miles de millones de años luz, significa que más allá la densidad de materia es mayor y dicha materia exterior al supervacío nos atraería; así nos parecería que el universo se expande dentro de nuestro supervacío más rápido de lo que lo hace; en dicho caso, las medidas locales de la constante de Hubble basadas en la escalera de distancias, que exploran distancias “pequeñas” de hasta z ~ 0,2, estarían sesgadas hacia arriba; una explicación sencilla a por qué difieren de las medidas cosmológicas.

Pedro MascarósPedro Mascarós

Francis, ¿Qué evidencias nos ayudan a descartar que no sea el supervacio el que nos muestra un expansión del universo que en realidad no existiera? Es decir, un defensor del universo estático ¿Podría agarrarse a eso?

Francisco R. Villatoro

Pedro, un defensor del universo estacionario tiene que explicar el fondo cósmico de microondas (CMB), y todas sus propiedades, sin introducir fenómenos que no han sido observados. Narlikar sigue vivo y defendiendo el universo (cuasi-)estacionario de Hoyle. Pero tras toda una vida investigando aún no es capaz de explicar el CMB de forma convincente. Los supervacíos son pecata minuta a escala cósmica.

AlbertAlbert

Pedro, observa que los supervacíos han intentado utilizarse para explicar la expansión ACELERADA del Universo sin necesidad de recurrir a Energía Oscura.
Pero NO para explicar la expansión a secas. En los 2 posts antiguos de Francis que te he enlazado en mi comentario anterior lo explica.
Saludos.

U-95U-95

Hay que buscar también una manera de explicar la estructura del Universo a gran escala, y que yo sepa la teoría de Hoyle no puede.

Esa teoría tiene también otros problemas: a altos z no vemos galaxias viejas espirales o elípticas muy ricas en metales, como tampoco vemos galaxias cercanas formadas por gas prístino (solo hidrógeno, que hasta donde yo sé es lo único que se forma en el Universo estacionario, nada del helio que el Big Bang predice), y además la paradoja de Fermi golpea fuerte en un Universo de ese tipo.

U-95U-95

Muy interesante cómo siempre. Pienso que esa discrepancia será debida a errores en las mediciones, ya que los estudios que he visto del fondo cósmico de microondad muestran bastante uniformidad. De todas maneras José Luis Comellas ya dijo que “El Universo sería poca cosa si todo en él tuviera explicación”, así que el tiempo lo dirá.

Mis dos céntimos :)

pvlpvl

http://www.abc.es/ciencia/abci-confi...oticia.html
Un par de preguntas sobre el tema de los supervacíos al hilo del art. y de la noticia.
Hasta donde he leído sobre la estructura a gran escala del Universo, se utiliza para describirla la imagen de la gran telañara cósmica, en la que la materia de los supercúmulos se concentra en los “hilos” rodeados de supervacíos.
1º ¿Se trata del mismo tipo de supervacío el que se menciona en el art. y los de la telaraña, o son vacíos de diferentes escalas?
2º En el caso del supervacío del art. se dice que estamos en el límite de un supervacío. ¿Significa eso que el parámetro de Huble es distinto si miramos en dirección al supervacío y respecto a la dirección contraria (si es que tiene sentido esa orientación particular respecto al supervacío?

Francisco R. Villatoro

PVL, lo primero, el artículo de ABC de José Manuel Nieves es muy sensacionalista; afirmar que se trata de un vacío “en cuyo interior no hay “nada”…” me parece un poco exagerado (máxime cuando se afirma que estamos nosotros, la Vía Láctea, el Grupo Local, el Supercúmulo local, etc. y que su densidad es mayor del 50% de la densidad promedio de todo el universo).

En relación a tus preguntas: (1) sí, se trata de un supervacío típico de la web cósmica; hay cientos de supervacíos de este tipo en el universo observable; este hipotético vacío KBC (Keenan-Barger-Cowie) es “pequeño” a escala cósmica, aunque grande a nuestra escala, pues tendría un tamaño de z < 0,1. (2) el hipotético vacío KBC es hipotético por dicha razón, se supone que estamos cerca de una de sus paredes y por ello esta propuesta teórica carece de evidencia experimental (aunque hay algún indicio, pero a día de hoy es flojo). En cuanto al parámetro de Hubble, recuerda que solo tiene sentido a escala cósmica, y que las medidas locales a z < 0,1 pueden presentar sesgos estadísticos que nos confundan respecto a su valor. Las medidas de calidad del parámetro de Hubble deberían usar valores z > 0,1 para ser fiables.

Saludos
Francis

GroovyGroovy

Hay una fijación lingüística-nihilista tanto en la física como en la astrofísica, la palabra nada aparece una y otra vez para explicar la materia y para apuntalar hipótesis y teorías. Me parece que el término nada no es invención de J. M. Nieves sino que el periodista se limita a comunicar a sus lectores los resultados de un grupo de cosmólogos en la reunión anual de la Sociedad Astronómica Americana celebrada en Austin, Texas.

Según se dice en el artículo, el supervacío donde se halla la Vía Láctea tiene un número menor de galaxias, estrellas y planetas que en su vecindad. Otro dato interesante es que la materia del supervacío local se aglutina en la corteza de lo que puede representarse como una naranja despojada de pulpa. ¿En este contexto cómo se interpreta el principio cosmológico? Según el citado principio la materia cósmica está distribuida de forma homogénea, aunque se nos dice que el número de objetos cósmicos es mayor en el exterior del supervacío que en su corteza.

Aquí surgen varios interrogantes. ¿La distribución de la materia en el interior o en las cortezas de los vacíos cósmicos depende de las características de los vacíos? ¿Es plausible que en al menos algunos vacíos la materia aglutinada en la corteza se expanda al interior de los agujeros o la expansión siempre es hacia el exterior? ¿La menor densidad de materia que hay en el supervacío local respecto de su vecindad deja margen para que se produzca un “rebote” o una “postinflación” que modifique las características materiales y radiativas del supervacío local?

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