La tensión de Hubble: cómo los campos magnéticos pueden ayudar a resolver uno de los mayores misterios del universo

Es bien sabido que el universo se está expandiendo, pero existe un serio desacuerdo entre los científicos sobre la velocidad a la que esto sucede.

Nuestras dos mejores formas de medir la tasa de expansión cósmica, la constante de Hubble, dan respuestas obstinadamente opuestas. Esto plantea un problema importante en la cosmología moderna conocido como la tensión de Hubble.

Sin embargo, nos preguntamos si una idea propuesta originalmente para resolver otro misterio cósmico (el origen de los campos magnéticos cósmicos) podría ayudarnos a desentrañar el misterio de la tensión de Hubble.

Nuestra investigación recientemente publicada investiga si los campos magnéticos extremadamente débiles que quedaron de los primeros momentos después del Big Bang podrían ayudarnos a descomprimir la tensión del Hubble, ofreciendo conocimientos sobre la física de las energías mucho más allá de cualquier cosa posible en la Tierra.

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La constante y la tensión de Hubble.

Los astrónomos utilizan la constante de Hubble como medida de la velocidad a la que se expande el universo. Debe su nombre al astrónomo estadounidense Edwin Hubble, quien fue el primero en descubrir que el universo se está expandiendo.

Una explicación de la constante de Hubble y la tensión de Hubble. (Universidad de Chicago)

Existen dos enfoques conceptualmente diferentes para medir la constante de Hubble. Una es indirecta, basada en las predicciones de nuestro modelo cosmológico ajustado para coincidir con los patrones del fondo cósmico de microondas, el débil resplandor del Big Bang.

Telescopios como el Telescopio Espacial Planck han medido pequeñas fluctuaciones en esta antigua luz, prediciendo una constante de Hubble de aproximadamente 67 kilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc). Un pársec es una unidad de distancia utilizada en astronomía que equivale aproximadamente a 3,26 años luz, o 30,9 billones de kilómetros. Un megaparsec es un millón de parsecs.

Otro método es más directo, similar al utilizado por Hubble en la década de 1920 cuando demostró por primera vez que el universo se está expandiendo.

Mide qué tan rápido se alejan las galaxias distantes de nuestra galaxia natal, la Vía Láctea, observando el brillo de las explosiones de supernovas en estas galaxias distantes.

Se sabe que las supernovas de tipo Ia son “candelas estándar” porque sabemos que su brillo es el mismo dondequiera que estén. Esto significa que podemos juzgar la distancia hasta ellos por lo oscuros que nos parecen.

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Para determinar su brillo intrínseco, los astrónomos utilizan otras velas estándar, como las estrellas Cefeidas, en galaxias cercanas. Estas observaciones, utilizando los telescopios espaciales Hubble y James Webb, dan un valor más alto de aproximadamente 73 km/s/Mpc.

Esta diferencia entre las dos mediciones se llama tensión de Hubble. La diferencia entre 67 y 73 puede parecer pequeña, pero es estadísticamente muy significativa. Si ambos métodos son correctos, entonces a nuestro modelo estándar de cosmología le debe faltar algo importante.

Una explicación de cómo los astrónomos miden las distancias cósmicas. (NASA) ¿De dónde provienen los campos magnéticos cósmicos?

Los campos magnéticos están en todas partes del espacio. Los planetas y las estrellas crean sus propios campos, pero aparecen lagunas en nuestra comprensión cuando intentamos explicar los campos magnéticos de escala mucho mayor que impregnan las galaxias y los cúmulos, y tal vez incluso los vacíos cósmicos.

Una posibilidad largamente estudiada es que el magnetismo surgió por primera vez en el universo primitivo, mucho antes de que se formaran las primeras estrellas o galaxias. Estos llamados campos magnéticos primordiales se han estudiado durante décadas, y la búsqueda de sus huellas en el fondo cósmico de microondas y otros datos ofrece una manera de sondear el universo primitivo y las energías extremas que habrían creado estos campos.

En 2011, dos de nosotros (Karsten y Tom) señalamos que los campos magnéticos primordiales afectarían la recombinación (cuando los electrones y protones se combinan por primera vez para formar hidrógeno neutro) y convertirían el universo de opaco a transparente. La primera luz que puede viajar libremente a partir de ese punto es lo que ahora vemos como el fondo cósmico de microondas.

Si estuvieran presentes, los campos magnéticos primordiales acelerarían la recombinación empujando y tirando de partículas cargadas, haciendo que la materia se aglutinara ligeramente. Donde las partículas se amontonan, es más probable que se encuentren y formen hidrógeno.

Cambiar el momento en que el universo se vuelve transparente cambia el tamaño de los patrones observados en el fondo cósmico de microondas. Esto cambia efectivamente la regla cósmica utilizada para medir la distancia y, a su vez, el valor de la constante de Hubble inferida del modelo, ayudando a relajar la tensión de Hubble. Nosotros dos (Karsten y Levon) demostramos este efecto en 2020 utilizando un modelo de recombinación simplificado.

El avance: lo que encontramos

Un mapa de radiación de microondas producido por la sonda anisotrópica de microondas Wilkinson de la NASA de radiación de microondas liberada aproximadamente 375.000 años después del nacimiento del universo. (Equipo científico NASA/VMAP)

En nuestro nuevo trabajo, utilizamos las primeras simulaciones tridimensionales completas del plasma primordial con campos magnéticos incorporados, rastreando cómo se forma el hidrógeno.

Utilizamos la historia de la formación de hidrógeno encontrada a través de estas simulaciones para calcular predicciones de cómo debería aparecer el fondo cósmico de microondas si existen campos magnéticos primordiales, y probamos estas predicciones con observaciones del fondo.

El fondo cósmico de microondas es extremadamente sensible a los cambios en la recombinación. Si los campos magnéticos primordiales lo cambiaran de una manera que no coincidiera con las observaciones, la idea podría descartarse. En cambio, los datos mostraron que nuestra propuesta sigue siendo viable.

En múltiples combinaciones de conjuntos de datos, encontramos una ligera preferencia constante por los campos magnéticos primordiales, que oscilan entre aproximadamente 1,5 y tres desviaciones estándar. Esto todavía no es un descubrimiento, sino un indicio coherente de que existen.

Igualmente importante es que las intensidades de campo favorecidas por los datos, entre cinco y 10 pico-Gauss en la actualidad, están cerca de lo que se requeriría si los campos magnéticos de las galaxias y los cúmulos provinieran únicamente de semillas primordiales. Pico-Gauss es una unidad utilizada para medir la fuerza de los campos magnéticos.

Además de ayudar a aliviar la tensión del Hubble, si se confirman los campos magnéticos primordiales, se abriría una nueva ventana a cómo era el universo cuando tenía sólo una fracción de segundo, posiblemente ofreciendo información sobre eventos importantes como el propio Big Bang.

Nuestros resultados muestran que la propuesta sobrevive a la prueba más detallada disponible en la actualidad y proporciona objetivos claros para futuras observaciones. En los próximos años, aprenderemos si los pequeños campos magnéticos del amanecer ayudaron a dar forma al universo que vemos hoy y si son la clave para resolver la tensión de Hubble.