jueves, 28 de noviembre de 2019

El problema de la constante de Hubble

Radiación cósmica de fondo de microondas
NASA-WMAP
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La constante de Hubble, que mide la velocidad de expansión del espacio en el universo, tiene propiedades muy curiosas. Por ejemplo, aunque la llamamos constante,  resulta que no lo es, sino que varía con el tiempo. Por eso su valor actual se representa con el símbolo H0, pero como su valor en otros momentos era diferente, se representa con otros símbolos, como HCMBR, que se refiere a su valor en el momento en que se produjo la radiación cósmica de fondo de microondas, hace unos 13.700 millones de años.

Una de las cuestiones candentes de la investigación es el valor actual de la constante de Hubble. La manera de calcularlo parece muy sencilla: consiste en dividir la velocidad de expansión del espacio en nuestras proximidades entre la longitud de dicho espacio. Para ello, la forma clásica de hacerlo es medir la distancia de una galaxia relativamente próxima (situada a algunos centenares de años-luz), y medir la velocidad con que se aleja de nosotros. El segundo valor se divide por el primero, y ahí tenemos el valor aproximado de H0.
Pero el análisis de la radiación cósmica de fondo gracias a los satélites COBE, WMAP y Planck proporcionó otro modo independiente de calcular la constante de Hubble, que consiste en proponer un modelo cosmológico estándar, ajustarlo a los datos proporcionados por los satélites sobre las oscilaciones acústicas presentes en dicha radiación, y deducir de ahí el valor de H0. En este caso no se mide su valor directamente, sino que se aplican al modelo estándar ajustado las ecuaciones cosmológicas de Einstein para calcularlo.
Edwin Powell Hubble
El problema es que los dos resultados obtenidos no cuadran. Cuando se utilizan estrellas cefeidas variables o supernovas para estimar la distancia de una galaxia, y el corrimiento al rojo de dicha galaxia para estimar la velocidad con que se aleja de nosotros (o sea, la velocidad de expansión del espacio), se obtiene un valor igual a 74 con una precisión de más o menos 1,4 km/seg/Megaparsec. En cambio, cuando se calcula a partir del modelo cosmológico estándar sale 67,4 más o menos 0,5 km/seg/Megaparsec.
A primera vista podrá parecer una diferencia pequeña, pero es casi igual al 10%, y para colmo los dos resultados independientes afirman conseguir una precisión mucho mayor. La situación para la física del cosmos es insostenible. Para explicar la discrepancia se proponen dos alternativas:
  1. Las medidas de la distancia de las galaxias próximas están mal hechas. Hay que buscar métodos nuevos para realizarlas, hasta conseguir que los dos cálculos se ajusten.
  2. El modelo cosmológico estándar (el modelo ΛCDM) es incorrecto. Debemos renunciar a él y diseñar otro modelo.
Últimamente se han propuesto varios métodos para calcular la distancia de galaxias próximas con mayor precisión. Entre ellos podemos citar los siguientes:
  • En lugar de cefeidas variables o supernovas, se han utilizado gigantes rojas para estimar la distancia. El resultado obtenido ha sido de 69,8, que cae a mitad de camino entre los dos resultados en conflicto.
  • También se pueden utilizar lentes gravitatorias. Cuando una galaxia se interpone entre nosotros y un cuásar más lejano, la luz del segundo se curva al pasar cerca de la galaxia, dando lugar a una imagen múltiple de la que se puede deducir la distancia de la galaxia. Este método ha dado lugar al resultado H0=73,3, muy próximo al obtenido por los métodos tradicionales.
  • Otro equipo ha calculado la distancia a partir de megamásers, nubes de gas que giran alrededor de un agujero negro y emiten luz de una longitud de onda determinada. El resultado obtenido fue de nuevo igual a 74.
  • Otro método basado en el pixelado de imágenes dio como resultado el valor 76,5.
  • De la utilización de ciertas estrellas especiales (Miras) en lugar de cefeidas se obtuvo un valor de 73,6.
  • Finalmente, un método nuevo basado en el análisis de las ondas gravitacionales recientemente descubiertas ha dado el resultado intermedio de 70, aunque hasta el momento sólo se ha podido realizar un único experimento, por lo que la precisión es mucho más baja que con los otros métodos (del orden de más o menos 10).
En conclusión: la mayor parte de los métodos basados en la medida directa del valor actual de la constante de Hubble se agrupan alrededor del valor 74. El modelo cosmológico estándar da un valor mucho más bajo: 67,4. Dos de los métodos nuevos dan valores intermedios, próximos a 70, aunque uno de ellos (el de las ondas gravitacionales) todavía no puede considerarse bastante preciso.
Esta discrepancia, que puede verse gráficamente en una figura de este artículo de Science News que muestra simultáneamente los distintos resultados y su precisión, ha llevado a bastantes astrónomos a plantearse si ha llegado el momento de revisar el modelo cosmológico estándar, que por otra parte presenta también otros problemas, como los que mencioné en otro artículo de este blog.

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Manuel Alfonseca

11 comentarios:

  1. Manuel, en mi total ignorania de la materia me vienen dos preguntas sobre este argumento que quizas en un futuro artículo tuyo puedas aclarar, y que me atrevo a exponer aunque quizás te hagan sonreir:
    1. es de suponer que nosotros no estamos en el punto cero de expansión del universo y por consiguiente habrá galaxias que se expanden en el mismo sentido nuestro y otras en el sentido opuesto, con lo que el alejamiento relativo con nosotros será necvesariamente distinto.
    2. ¿Hay que afirmar que la expasión del universo es homogéneo? ¿O bien podrían existir areas del universo con una velocidad de expansión diversa?

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    1. Dos buenas preguntas.

      1. El universo no se expande alrededor de un punto cero. Lo que se expande es el espacio, por lo que no hay punto cero y todas las galaxias (excepto las más cercanas, ligadas con la nuestra por gravedad) se alejan unas de otras. No es que las galaxias se muevan, es que el espacio que las separa se alarga.

      2. Una vez eliminada la velocidad de nuestra galaxia relativa a la radiación cósmica de fondo (unos 600 km/s), la temperatura de esta radiación resulta ser casi absolutamente uniforme en todas direcciones (2,725K), con variaciones locales del orden de la quinta cifra decimal. Esto implica que la expansión del universo es igual en todas direcciones, no sólo respecto a nuestra galaxia, sino respecto a cualquier galaxia.

      Se me ocurren más cosas que decir, así que procuraré hacerlo en un artículo futuro. Gracias por la sugerencia.

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  2. Así mismo, dentro de mi ignorancia.

    - Si es el universo el que se expande y en consecuencia las galaxias se alejan unas de otras: + si existieran otros seres inteligentes, cada vez están mas lejos de nosotros?, + si el universo se expande y si la radiación cósmica fuera algo existente en todo el universo, su densidad debería ir descendiendo?. Estaría esta densidad relacionada con la temperatura de esa radiación que parece constante?

    - Como se compatibilizaría este alejamiento, esta disminución de densidad de la materia (¿?), con la convergencia hacia un punto Omega de Theillard de Chardin?

    - Qué enseñanzas se podrían deducir para la evolución del hombre, si esta se encontrara dentro de otra evolución mayor, cósmica, la cual podría estar contenida dentro de otra evolución, digamos, de Dios?

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    1. 1. Si hay seres inteligentes en nuestra misma galaxia (la Vía Láctea), esos no se alejan de nosotros. En cambio, si los hay en otras galaxias fuera de nuestro grupo local, sí se están alejando de nosotros a razón de unos 70 km/seg/MPc. O sea, que si hay seres inteligentes en una galaxia situada a 100 millones de años-luz de nosotros, se están alejando a razón de unos 3000 km/segundo.

      2. Al expandirse el universo, la radiación cósmica de fondo también se aleja de nosotros, lo que se traduce en un alargamiento de las ondas (una disminución de la frecuencia), que corresponde a una disminución de la temperatura (porque según la ley de Wien la longitud de onda del máximo de la emisión de un cuerpo negro es inversa a la temperatura del cuerpo). Así, la radiación cósmica de fondo, que cuando surgió tenía frecuencia de ondas luminosas y temperatura de unos 300K, ahora tiene frecuencia en la zona de las microondas y temperatura de unos 3K.

      3. Todo esto no tiene nada que ver con el punto Omega de Teilhard de Chardin, que es una convergencia de la parte pensante de la Tierra (la noosfera).

      4. Dios no evoluciona, quien evoluciona es la creación.

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  3. Hola, soy Carlos, tengo una página web de noticias científicas muy afín en temática a la suya y había visto una gran oportunidad de colaboración con usted. Ya sea haciendo un artículo invitado en su web o haciéndole alguna mención en mis artículos. Por favor, pongáse en contacto en Nozuax@gmail.com. Mi web es caoxmos.com por si deseas curiosear jjejeje. Espero su respuesta y fuertes saludos compañero!

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  4. https://jackrational.blogspot.com/2016/10/159-vueltas-con-el-termino-cientifismo.html?m=1. Hola aqui en esta pagina hablando sobre cientifismo diciendo que hay gente que se queja de ello o sea ahi estan haciendo unas afirmaciones que vamos... Porque ellos no se dan cuenta de que hay cientificos que cuestan el cientifismo no son gente en contra de la ciencia pero en esa pagina por ejemplo no entienden la diferencia.

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    1. A mí me parece que esa página es relativamente ponderada, partiendo de su punto de vista.

      De todos modos, recurre a una definición de cientificismo (moderado) que no es la universalmente aceptada. El diccionario de la RAE dice esto:
      1. m. Teoría según la cual los únicos conocimientos válidos son los que se adquieren mediante las ciencias positivas.
      2. m. Tendencia a dar excesivo valor a las nociones científicas o pretendidamente científicas.


      Y el que ofrece Google dice esto:
      1. Tendencia a dar excesivo valor a las nociones científicas, en especial a las ciencias basadas en los datos de la experiencia, considerando que son el único conocimiento válido. "El cientificismo considera que el método científico debe aplicarse a cualquier ámbito de la vida intelectual y moral"
      2. Confianza plena en los principios y resultados de la investigación científica y práctica rigurosa de sus métodos.

      Según ese artículo, la RAE sólo estaría definiendo el "cientificismo duro" (que el autor rechaza), y el de Google se refiere evidentemente al cientificismo duro en su primera acepción, y al cientificismo en general en la segunda.

      La cita de Steven Pinker es discutible, cuando afirma que "Y no es el dogma de que lo físico es lo único que existe. Los propios científicos están inmersos en el medio etéreo de la información..." Para mí, la información sigue siendo física.

      Me gusta la cita de Carl Sagan al final, pues coincide con cosas que suelo decir en este blog.

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    2. Un buen artículo. Lamento haber tardado tanto en postear un mensaje. Es que el tiempo se me echó encima y es implacable y no pude leer antes este artículo de Divulciencia. Es interesante que el Profesor Alfonseca nos aclare estas cuestiones y nos explique las teorías respecto al universo de Hubble y Einstein.
      Por lo que estoy leyendo en los post cada vez sería más difícil contactar con una hipotética civilización extraterrestre inteligente, porque el universo se va alejando cada vez más.
      Respecto a mi amigo yo que soy un ignorante en cuestiones de ciencia siempre acudo en su busca cada vez que necesito información sobre cuestiones científicas.
      No podré leer el siguiente artículo hasta el martes, ya que debido al puente de la Inmaculada Concepción-Constitución cierra a partir de mañana, ya que pasan la fiesta de San Nicolás de Bari al jueves, por lo que no podré ver mi correo hasta el martes.
      Con todo leeré con gran interés el siguiente artículo de este blog.

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    3. Fonch, como le contesté a JMVB, sólo se alejan de nosotros los hipotéticos seres inteligentes situados en galaxias más allá de nuestro grupo local (o sea, a más de 5 millones de años-luz), por lo que, aunque no se alejaran, sería prácticamente imposible contactarlos, puesto que cada mensaje tardaría más de 5 millones de años en ir, y otros tantos en ser contestado.

      Para todos los efectos prácticos, todos los posibles seres inteligentes que se encuentren en otras galaxias, para nosotros es como si no existieran.

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  5. Relacionando este Hilo con otros que tratan acerca de la Ciencia y la fe, me gustaría que aclarara su definición sobre términos como Creación, Dios, etc. Es decir,
    - podemos entender que la Creación es una manifestación de Dios pero que Dios es más que la Creación?
    - La Creación tuvo un comienzo, pero tendrá un fin? (es lo que entendemos como perdurable?).
    - Es racional pensar que la Creación no tendrá fin? y con ello que el conocimiento de las criaturas pensantes tiene un comienzo peroo no tendrá fin?
    - Que nos enseña la Ciencia hasta el momento?. Gracias

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    1. Desde el punto de vista cristiano, por supuesto que Dios es más que la Creación. El creador siempre es superior a su obra, también entre los seres humanos.

      Sobre si la creación tendrá fin, la ciencia no lo tiene claro todavía. El modelo cosmológico estándar ve un universo plano que se expandiría indefinidamente aproximándose siempre (sin alcanzarlo) a un estado de entropía máxima, o sea, sin materia, y con toda la energía reducida a calor, distribuida por igual, a una temperatura muy próxima al cero absoluto: lo que se suele llamar "muerte térmica del universo". En esas circunstancias, el conocimiento de las criaturas pensantes tendría fin cuando ya no fuese posible su existencia.

      Pero que el universo se contraiga y acabe en un "big crunch" no está totalmente excluido por la ciencia, aunque a día de hoy parece poco probable.

      Un artículo de mi blog sobre este tema: El principio antrópico final y el antiCristo.

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