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(Noticias de Nanowerk) Los astrofísicos han realizado un nuevo y poderoso análisis que pone los límites más precisos hasta ahora sobre la composición y evolución del Universo. Los cosmólogos se encuentran en una encrucijada con este análisis, conocido como Pantheon+.
Pantheon+ afirma de manera convincente que el cosmos tiene aproximadamente dos tercios de energía oscura y un tercio de materia, principalmente en forma de materia oscura, y se ha estado expandiendo a un ritmo acelerado durante los últimos mil millones de años. Sin embargo, Pantheon+ también consolida un gran desacuerdo sobre el ritmo de esta expansión que aún no se ha resuelto.
Al colocar las teorías cosmológicas modernas dominantes conocidas como el Modelo Estándar de Cosmología sobre una base de evidencia y una base estadística aún más sólidas, Pantheon+ cierra la puerta a marcos alternativos que toman en cuenta la energía oscura y la materia oscura. Ambos son piedras angulares del Modelo Estándar de cosmología, pero aún no se han descubierto directamente y se encuentran entre los mayores misterios del modelo. Sobre la base de los resultados de Pantheon+, los investigadores ahora pueden realizar pruebas de observación más precisas y refinar las explicaciones del presunto cosmos.
«Con estos resultados de Pantheon+, podemos restringir la dinámica y la historia del Universo hasta la fecha con la mayor precisión posible», dice Dillon Brout, miembro de Einstein en el Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian. «Hemos revisado los datos y ahora podemos decir con más confianza que nunca cómo evolucionó el universo a lo largo de los eones y que se mantienen las mejores teorías actuales sobre energía oscura y materia oscura».
Brout es el autor principal de una serie de artículos que describen el nuevo análisis de Pantheon+, publicados conjuntamente hoy en una edición especial de El diario astrofísico («El análisis de Pantheon+: restricciones cosmológicas»).
Pantheon+ se basa en el mayor conjunto de datos de su tipo, que incluye más de 1500 explosiones estelares conocidas como supernovas de tipo Ia. Estas brillantes explosiones ocurren cuando las estrellas enanas blancas, remanentes de estrellas como nuestro Sol, acumulan demasiada masa y experimentan una reacción termonuclear desbocada. Debido a que las supernovas de Tipo Ia eclipsan a las galaxias enteras, las detonaciones estelares se pueden ver a distancias de más de 10 mil millones de años luz, o alrededor de las tres cuartas partes de la edad total del Universo. Debido a que las supernovas brillan con un brillo intrínseco casi uniforme, los científicos pueden usar el brillo aparente de las explosiones, que disminuye con la distancia, junto con las mediciones del corrimiento al rojo, como marcadores en el tiempo y el espacio. Esta información, a su vez, muestra qué tan rápido se expande el universo en diferentes épocas, que luego se usa para probar teorías sobre los componentes fundamentales del universo.
El revolucionario descubrimiento del crecimiento acelerado del Universo en 1998 se debió al estudio de las supernovas de Tipo Ia de esta manera. Los científicos atribuyen la expansión a una energía invisible, por lo tanto llamada energía oscura, inherente a la estructura del universo mismo. En las décadas que siguieron, se compilaron conjuntos de datos cada vez más grandes, que revelaron supernovas en un espacio y un rango de tiempo aún mayores, y Pantheon+ ahora los ha reunido en el análisis estadísticamente más sólido hasta el momento.
«En muchos sentidos, este último análisis de Pantheon+ es la culminación de más de dos décadas de esfuerzos diligentes por parte de observadores y teóricos de todo el mundo para desentrañar la esencia del cosmos», dice Adam Riess, uno de los ganadores del Premio Nobel de Física 2011 por el descubrimiento de la Expansión acelerada del Universo y Profesor Distinguido Bloomberg en la Universidad Johns Hopkins (JHU) y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland. Riess también se graduó de la Universidad de Harvard y tiene un doctorado en astrofísica.
La propia carrera de Brout en cosmología se remonta a sus años de estudiante en JHU, donde Riess le enseñó y aconsejó. Allí, Brout trabajó con el entonces estudiante graduado y asesor de Riess, Dan Scolnic, quien ahora es profesor asistente de física en la Universidad de Duke y otro coautor de la nueva serie de artículos.
Hace unos años, Scolnic desarrolló el análisis de panteón original de unas 1.000 supernovas.
Ahora, Brout y Scolnic y su nuevo equipo Pantheon+ han agregado alrededor de un 50 por ciento más de puntos de datos de supernovas a Pantheon+, junto con mejoras en las técnicas de análisis y abordando posibles fuentes de error, lo que finalmente da como resultado el doble de precisión que el Pantheon original.
«Este salto tanto en la calidad del conjunto de datos como en nuestra comprensión de la física subyacente no habría sido posible sin un excelente equipo de estudiantes y colaboradores que trabajaron diligentemente para mejorar cada faceta del análisis», dice Brout.
Mirando los datos en su conjunto, el nuevo análisis dice que el 66,2 por ciento del universo se manifiesta como energía oscura, y el 33,8 por ciento restante es una combinación de materia oscura y materia. Para llegar a una comprensión aún más completa de los constituyentes del Universo en diferentes épocas, Brout y sus colegas combinaron Pantheon+ con otras mediciones complementarias, independientes y fuertemente respaldadas de la estructura a gran escala del Universo y con mediciones de la luz más temprana del Universo, el fondo cósmico de microondas.
Otro resultado importante de Pantheon+ se relaciona con uno de los principales objetivos de la cosmología moderna: determinar la tasa actual de expansión del universo, conocida como la constante de Hubble. La combinación de la muestra Pantheon+ con datos de la colaboración SH0ES (Supernova H0 para la ecuación de estado) dirigida por von Riess da como resultado la medición local más rigurosa de la tasa de expansión actual del Universo.
Juntos, Pantheon+ y SH0ES encuentran una constante de Hubble de 73,4 kilómetros por segundo por megaparsec con solo un 1,3 % de incertidumbre. Dicho de otra manera, por cada megaparsec, o 3,26 millones de años luz, el análisis estima que el espacio se expande a más de 160 000 millas por hora, incluso en el Universo cercano.
Sin embargo, las observaciones de una época muy diferente en la historia del universo predicen una historia diferente. Las mediciones de la luz más temprana del Universo, el fondo cósmico de microondas, combinadas con el modelo estándar actual de cosmología, fijan consistentemente la constante de Hubble a un ritmo significativamente más lento que las observaciones realizadas sobre las supernovas de Tipo Ia y otros marcadores astrofísicos. Esta discrepancia significativa entre los dos métodos se ha denominado voltaje de Hubble.
Los nuevos conjuntos de datos Pantheon+ y SH0ES amplifican esta tensión del Hubble. De hecho, el voltaje ahora ha cruzado el importante umbral de 5 sigma (aproximadamente una probabilidad entre un millón de que ocurra por casualidad) que los físicos usan para distinguir entre una posible casualidad estadística y algo que debe entenderse en consecuencia. Alcanzar este nuevo nivel estadístico subraya el desafío para los teóricos y astrofísicos de explicar la discrepancia en la constante de Hubble.
«Pensamos que podría ser posible encontrar evidencia de una solución novedosa a estos problemas en nuestro conjunto de datos, pero en cambio encontramos que nuestros datos excluyen muchas de estas opciones y que las profundas discrepancias siguen siendo tan persistentes como siempre», dice pan.
Los resultados de Pantheon+ podrían ayudar a identificar dónde se encuentra la solución al voltaje del Hubble. «Muchas teorías recientes apuntan a una nueva física exótica en el Universo primitivo, pero tales teorías no confirmadas deben resistir el proceso científico, y el voltaje del Hubble sigue siendo un gran desafío», dice Brout.
En general, Pantheon+ ofrece a los científicos una mirada retrospectiva integral a gran parte de la historia cósmica. Las supernovas más tempranas y distantes del conjunto de datos brillan desde una distancia de 10.700 millones de años luz, cuando el Universo tenía aproximadamente una cuarta parte de su edad actual. En esta era anterior, la materia oscura y su gravedad asociada mantuvieron bajo control la tasa de expansión del universo. Este estado de cosas cambió drásticamente durante los siguientes mil millones de años cuando la influencia de la energía oscura superó a la de la materia oscura. Desde entonces, la energía oscura ha lanzado los contenidos del cosmos más y más lejos a velocidades cada vez mayores.
«Con este conjunto de datos Pantheon+ combinado, obtenemos una visión precisa del universo desde el momento en que estaba dominado por la materia oscura hasta el momento en que el universo estaba dominado por la energía oscura», dice Brout. «Este conjunto de datos es una oportunidad única para ver cómo la energía oscura se está activando y alimentando la evolución del cosmos en las escalas más grandes hasta el día de hoy».
Es de esperar que estudiar este cambio ahora, con evidencia estadística aún más sólida, conduzca a nuevos conocimientos sobre la naturaleza enigmática de la energía oscura.
«Pantheon+ nos brinda nuestra mejor oportunidad hasta ahora para limitar la energía oscura, sus orígenes y evolución», dice Brout.
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