Measuring the Hubble Constant: The Tension

Medición de la constante de Hubble: La tensión

Discrepancias en mediciones locales vs. del universo temprano que alimentan nuevas preguntas cosmológicas

La Importancia de H0

La constante de Hubble (H0) establece la tasa actual de expansión del universo, típicamente expresada en unidades de kilómetros por segundo por megapársec (km/s/Mpc). Un valor preciso de H0 es crucial en cosmología porque:

  1. Dicta la edad del universo cuando se extrapola hacia atrás desde la expansión.
  2. Calibra la escala de distancias para otras mediciones cósmicas.
  3. Ayuda a romper degeneraciones en ajustes de parámetros cosmológicos (p. ej., densidad de materia, parámetros de energía oscura).

Tradicionalmente, los astrónomos miden H0 mediante dos estrategias distintas:

  • Enfoque local (escalera de distancias): Construir desde la paralaje a Cefeidas o TRGB (Punta de la Rama de Gigantes Rojas), luego usar supernovas Tipo Ia, produciendo una tasa de expansión directa en el universo relativamente cercano.
  • Enfoque del universo temprano: Inferir H0 a partir de los datos del fondo cósmico de microondas (CMB) bajo un modelo cosmológico elegido (ΛCDM), más oscilaciones acústicas de bariones u otras restricciones.

En años recientes, estos dos enfoques producen valores de H0 significativamente diferentes: una medición local más alta (~73–75 km/s/Mpc) frente a una medición basada en el CMB más baja (~67–68 km/s/Mpc). Esta discrepancia—llamada “tensión de Hubble”—sugiere ya sea nueva física más allá del ΛCDM estándar o sistemáticas no resueltas en uno o ambos métodos de medición.

2. Escalera de Distancias Local: Un Enfoque Paso a Paso

2.1 Paralaje y Calibración

La base de la escalera de distancias local es la paralaje (trigonométrica) para estrellas relativamente cercanas (misión Gaia, paralaje HST para Cefeidas, etc.). La paralaje establece la escala absoluta para velas estándar como las variables Cefeidas, que tienen una relación período–luminosidad bien caracterizada.

2.2 Cefeidas y TRGB

  • Variables Cefeidas: El peldaño clave para calibrar marcadores más distantes como las supernovas Tipo Ia. Freedman y Madore, Riess et al. (equipo SHoES), y otros refinaron las calibraciones locales de Cefeidas.
  • Punta de la Rama de Gigantes Rojas (TRGB): Otra técnica usa la luminosidad de gigantes rojas al inicio del flash de helio en poblaciones pobres en metales. El equipo Carnegie–Chicago (Freedman et al.) midió una precisión de ~1% en algunas galaxias locales, proporcionando una alternativa a los Cefeidas.

2.3 Supernovas Tipo Ia

Una vez que los Cefeidas (o TRGB) en galaxias anfitrionas anclan las luminosidades de supernovas, se pueden medir supernovas a cientos de Mpc. Al comparar el brillo aparente de la supernova con la luminosidad absoluta derivada, obtenemos distancias. Graficar la velocidad de recesión (a partir del corrimiento al rojo) vs. distancia produce localmente H0.

2.4 Las mediciones locales

Riess et al. (SHoES) típicamente encuentran H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (con una incertidumbre de ~1.0–1.5%). Freedman et al. (TRGB) encuentran valores ~69–71 km/s/Mpc, algo menores que Riess pero aún por encima del ~67 basado en Planck. Así, aunque las mediciones locales difieren algo entre sí, típicamente se agrupan alrededor de 70–74 km/s/Mpc, más alto que el ~67 de Planck.

3. Enfoque del universo temprano (CMB)

3.1 El modelo ΛCDM y el CMB

Las anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB) medidas por WMAP o Planck, bajo un modelo cosmológico estándar ΛCDM, infieren las escalas de los picos acústicos y otros parámetros. Al ajustar el espectro de potencia del CMB, se obtienen Ωb h², Ωc h² y otros parámetros. Combinando estos con la suposición de planitud, y con datos de BAO u otros, se obtiene un H0 derivado.

3.2 Medición de Planck

Los datos finales de la colaboración Planck típicamente arrojan H0 = 67.4 ± 0.5 km/s/Mpc (dependiendo de los priors exactos), aproximadamente 5–6σ menor que la medición local de SHoES. Esta diferencia, conocida como la tensión de Hubble, tiene una significancia de ~5σ, suficiente para sugerir que es improbable que sea una casualidad.

3.3 Por qué importa la discrepancia

Si el modelo estándar ΛCDM es correcto y los datos de Planck son sistemáticamente robustos, entonces los métodos locales de escalera de distancias deben contener un sistemático no reconocido. Alternativamente, si las distancias locales son precisas, tal vez el modelo del universo temprano está incompleto—nueva física podría estar afectando la expansión cósmica o alguna especie relativista adicional o energía oscura temprana cambia el H0 inferido.

4. Fuentes potenciales de discrepancia

4.1 ¿Errores sistemáticos en la escalera de distancias?

Una sospecha es que las calibraciones de Cefeidas o la fotometría de supernovas podrían contener sistemáticos no corregidos, como efectos de metalicidad en las luminosidades de Cefeidas, correcciones de flujo local o sesgos de selección. Sin embargo, la fuerte consistencia interna entre múltiples equipos reduce la probabilidad de un error grande. Los métodos TRGB también convergen en un H0 moderadamente alto, aunque algo menor que las Cefeidas, pero aún superior al de Planck.

4.2 ¿Sistemáticos no reconocidos en el CMB o ΛCDM?

Otra posibilidad es que la interpretación del CMB de Planck bajo ΛCDM omita un factor crucial, por ejemplo:

  • Física extendida de neutrinos o una especie relativista extra (Neff).
  • Energía oscura temprana cerca de la recombinación.
  • Geometría no plana o energía oscura variable en el tiempo.

Planck no detecta señales fuertes de estas, pero aparecen indicios leves en algunos ajustes de modelos extendidos. Ninguno hasta ahora resuelve convincentemente la tensión sin generar otras anomalías o aumentar la complejidad.

4.3 ¿Dos Constantes de Hubble Diferentes?

Algunos argumentan que la tasa de expansión a bajo corrimiento al rojo podría diferir del promedio global si existen grandes estructuras locales o inhomogeneidades (la “burbuja de Hubble”), pero los datos de múltiples direcciones, otras escalas cósmicas y la suposición general de homogeneidad hacen que una explicación basada en un vacío local significativo o ambiente local sea menos probable para explicar completamente la tensión.

5. Esfuerzos para Resolver la Tensión

5.1 Métodos Independientes

Los investigadores prueban calibraciones locales alternativas:

  • Masers en galaxias megamaser (como NGC 4258) como ancla para distancias de supernovas.
  • Retrasos temporales de lentes fuertes (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluctuaciones de brillo superficial en galaxias elípticas.

Hasta ahora, estos generalmente apoyan H0 en el rango de los altos 60 a bajos 70, sin converger todos al mismo valor exacto, pero típicamente por encima de 67. Por lo tanto, ninguna ruta independiente única ha eliminado la tensión.

5.2 Más Datos de DES, DESI, Euclid

BAO medidos en diferentes corrimientos al rojo pueden reconstruir H(z) para probar si surge alguna desviación de ΛCDM entre z = 1100 (época del CMB) y z = 0. Si los datos muestran una evolución que produce un H0 local más alto mientras coinciden con Planck a alto z, eso podría indicar nueva física (como energía oscura temprana). DESI apunta a una medida de distancia ~1% en múltiples corrimientos al rojo, posiblemente aclarando la trayectoria de la expansión cósmica.

5.3 Escalera de Distancias de Nueva Generación

Los equipos locales continúan refinando las calibraciones de paralaje mediante datos de Gaia, mejorando los puntos cero de las Cefeidas y revisando sistemáticas en la fotometría de supernovas. Si la tensión persiste con barras de error más pequeñas, el caso para nueva física más allá de ΛCDM se fortalece. Si desaparece, confirmaremos la solidez de ΛCDM.

6. Las Implicaciones para la Cosmología

6.1 Si Planck está Correcto (H bajo0)

Un H bajo0 ≈ 67 km/s/Mpc se alinea con el ΛCDM estándar desde z = 1100 hasta ahora. Entonces los métodos locales de la escalera de distancias deben estar sistemáticamente errados, o habitamos una región local inusual. Este escenario indica que la edad del universo es ~13.8 mil millones de años. Las predicciones de la estructura a gran escala siguen siendo consistentes con los datos de agrupamiento de galaxias, BAOs y lentes.

6.2 Si la Escalera Local es Correcta (H alto0)

Si H0 ≈ 73 es correcto, entonces el ajuste estándar ΛCDM a Planck debe estar incompleto. Podríamos necesitar:

  • Energía oscura temprana adicional que acelera temporalmente la expansión antes de la recombinación, cambiando los ángulos de los picos para que la inferencia de H0 basada en Planck sea menor.
  • Grados adicionales relativistas de libertad o nueva física de neutrinos.
  • Una ruptura en la suposición de un universo plano, puramente ΛCDM.

Esa nueva física podría resolver la tensión a costa de modelos más complejos, pero podría ser probada por otros datos (lente gravitacional del CMB, restricciones al crecimiento estructural, nucleosíntesis del big bang).

6.3 Perspectivas futuras

La tensión invita a verificaciones cruzadas rigurosas. CMB-S4 o datos de cizalladura cósmica de siguiente nivel pueden comprobar si el crecimiento estructural se alinea con expansiones de H0 altas o bajas. Si la tensión se mantiene consistente en ~5σ, indica fuertemente que el modelo estándar requiere revisión. Un desarrollo teórico importante o una resolución sistemática podrían eventualmente finalizar el veredicto.

7. Conclusión

Medir la constante de Hubble (H0) está en el corazón de la cosmología, vinculando observaciones locales de la expansión con el marco del universo temprano. Los métodos actuales producen dos resultados distintos:

  1. Escalera de distancias local (a través de Cefeidas, TRGB, SNe) típicamente arroja H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM basado en CMB ajustado con datos de Planck, arroja H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Esta “tensión de Hubble,” con una significancia de alrededor de 5σ, implica ya sea sistemáticos no reconocidos en un enfoque o nueva física más allá del modelo estándar ΛCDM. Las mejoras continuas en la calibración de paralaje (Gaia), el punto cero de supernovas, las distancias por retardo temporal de lentes y el BAO a alto corrimiento al rojo están poniendo a prueba cada hipótesis. Si la tensión persiste, podría revelar soluciones exóticas (energía oscura temprana, neutrinos extra, etc.). Si disminuye, confirmaremos la solidez de ΛCDM.

Cualquiera de los resultados moldea profundamente nuestra narrativa cósmica. La tensión impulsa nuevas campañas observacionales (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) y modelos teóricos avanzados, demostrando la naturaleza dinámica de la cosmología moderna—donde datos precisos y anomalías persistentes impulsan nuestra búsqueda por unificar el universo temprano y el presente en una imagen coherente.

Referencias y Lecturas Adicionales

  1. Riess, A. G., et al. (2016). “Una determinación del 2.4% del valor local de la constante de Hubble.” The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). “Resultados Planck 2018. VI. Parámetros cosmológicos.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). “El Programa Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Una determinación independiente de la constante de Hubble basada en la punta de la rama de las gigantes rojas.” The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). “Tensiones entre el universo temprano y el tardío.” Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). “Guía para cazadores de la constante de Hubble.” Physics Today, 73, 38.

 

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