Galaxias activas apuntan a una nueva física de la expansión cósmica
Mientras investigaba la historia de nuestro cosmos, observando una amplia muestra de galaxias activas distantes con XMM-Newton de la ESA, un equipo de astrónomos ha descubierto que la expansión del Universo puede ir más allá de lo que predice el modelo estándar.
Según el principal escenario, nuestro Universo apenas contiene un porcentaje mínimo de materia común. Una cuarta parte del cosmos consiste en materia oscura, que podemos “sentir” gravitacionalmente, pero no observar; el resto está formado por la misteriosa energía oscura responsable de la actual aceleración en la expansión del Universo.
Este modelo se basa en un vasto conjunto de datos recopilados a lo largo de las últimas dos décadas, desde el fondo cósmico de microondas —la primera luz en la historia del cosmos, surgida tan solo 380.000 años tras el Big Bang y observada con un nivel de detalle sin precedentes por la misión Planck de la ESA— hasta observaciones más “locales”. Estas últimas incluyen supernovas, cúmulos galácticos y la distorsión gravitacional que la materia oscura provoca en galaxias distantes; y permiten hacer un seguimiento de la expansión cósmica en épocas recientes de la historia del Universo, remontándose hasta los últimos 9.000 millones de años.
Un nuevo estudio dirigido por Guido Risaliti, de la Universidad de Florencia (Italia), e Elisabeta Lusso, de la Universidad de Durham (Reino Unido), apunta a otro tipo de indicadores cósmicos —los cuásares— que llenarían el vacío entre estas observaciones, midiendo la expansión del Universo hasta hace 12.000 millones de años.
Los cuásares son núcleos galácticos en los que un agujero negro supermasivo absorbe con intensidad toda la materia que se encuentra a su alrededor, mostrando un fuerte brillo en el espectro electromagnético. A medida que la materia cae en el agujero negro, forma un disco turbulento que emite radiación en luz visible y ultravioleta. Esta luz, a su vez, calienta los electrones cercanos, generando rayos X.
Hace tres años, Guido y Elisabeta se dieron cuenta de que la relación bien conocida entre el brillo en ultravioleta y rayos X de los cuásares podía emplearse para calcular la distancia a esas fuentes —algo especialmente complicado en astronomía— y, en consecuencia, para estudiar la historia de la expansión del Universo.
Las fuentes astronómicas cuyas propiedades nos permiten medir sus distancias se conocen como “velas estándar”.
La clase más conocida es la supernova de “tipo Ia”, que se produce cuando una enana blanca muere al rebasar el límite de acreción de material absorbido de su estrella compañera, generando una espectacular explosión de brillo predecible. Este brillo permite a los astrónomos identificar su distancia. A finales de la década de los noventa,la observación de este tipo de supernovas reveló que el Universo llevaba varios miles de millones de años expandiéndose de forma acelerada.
“El uso de los cuásares como velas estándar tiene un gran potencial, ya que podemos observarlos a distancias mucho mayores que las supernovas de tipo Ia y, en consecuencia, podemos emplearlos para estudiar épocas mucho más antiguas en la historia del cosmos”, explica Elisabeta.
Al disponer ahora de una muestra representativa de cuásares, los astrónomos han puesto este método en práctica, y los resultados son, cuando menos, curiosos.
Buceando en el archivo de XMM-Newton, recopilaron datos de rayos X de más de 7.000 cuásares y los combinaron con observaciones en el ultravioleta procedentes del proyecto Sloan Digital Sky Survey. También utilizaron un nuevo conjunto de datos obtenidos específicamente con XMM-Newton en 2017 para estudiar cuásares muy lejanos, observando cómo eran cuando el Universo apenas tenía 2.000 millones de años. Por último, complementaron los datos con un pequeño número de cuásares aún más distantes y otros relativamente cercanos, estudiados con los observatorios de rayos X Chandra y Swift de la NASA.
“Esta muestra tan amplia nos ha permitido profundizar en la relación entre las emisiones de rayos X y ultravioletas de los cuásares, con lo cual hemos podido perfeccionar enormemente nuestra técnica para estimar su distancia”, explica Guido.
Las nuevas observaciones de XMM-Newton de cuásares distantes son de tal calidad que el equipo llegó a identificar dos grupos diferenciados: el 70 % de las fuentes presenta un gran brillo en rayos X de baja energía, mientras que el 30 % restante emite cantidades menores de rayos X caracterizados por energías más elevadas. Para continuar con el análisis, se ciñeron al primer grupo de fuentes, en las que la relación entre las emisiones de rayos X y ultravioletas es más clara.
“Llama la atención que podamos apreciar tal nivel de detalle en fuentes tan lejanas que su luz ha viajado durante más de 10.000 millones de años para llegar a nosotros”, señala Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton de la ESA.
Tras escudriñar los datos y reducir la muestra a unos 1.600 cuásares, los astrónomos se quedaron con las mejores observaciones, lo que les permitió obtener cálculos precisos de su distancia y utilizarlas para investigar la expansión del Universo.
“Cuando combinamos la muestra de cuásares, que abarca casi 12.000 millones de historia del cosmos, con la muestra más local de supernovas de tipo Ia, que se limitan a los últimos 8.000 millones de años, encontramos resultados similares cuando se solapaban las épocas”, constata Elisabeta.
“Sin embargo, en las fases más tempranas, que solo pudimos estudiar mediante cuásares, encontramos una discrepancia entre la evolución observada del Universo y lo que podríamos predecir basándonos en el modelo cosmológico estándar”.
Al estudiar con la ayuda de los cuásares este periodo de la historia cósmica poco explorado hasta entonces, los astrónomos descubrieron una posible tensión en el modelo estándar, que podría precisar de parámetros adicionales para reconciliar los datos con la teoría.
“Una de las soluciones posibles sería invocar una energía oscura en evolución, cuya densidad aumentaría con el tiempo”, explica Guido.
Da la casualidad de que este modelo también resolvería otra tensión que últimamente traía de cabeza a los cosmólogos, relacionada con la constante de Hubble (la velocidad actual de la expansión cósmica). Esta discrepancia se detectó entre estimaciones de la constante de Hubble en el Universo local, basadas en datos de supernovas —y, de forma independiente, en los de cúmulos de galaxias—, y aquellas basadas en observaciones de Planck del fondo cósmico de microondas en el Universo temprano.
“Este modelo es muy interesante, ya que solucionaría dos problemas a la vez, pero aún no hay nada definitivo, y tenemos que estudiar muchos más modelos antes de dar por resuelto este enigma cósmico”, añade Guido.
El equipo está deseando observar aún más cuásares para seguir mejorando los resultados. También confía en las claves que aportará la misión Euclid de la ESA, cuyo lanzamiento está previsto para 2022. Esta misión explorará los últimos 10.000 millones de años de expansión cósmica e investigará la naturaleza de la energía oscura.
“Son buenos tiempos para investigar la historia del Universo, y es fantástico que XMM-Newton pueda contribuir observando una época cósmica que hasta ahora había permanecido prácticamente inexplorada”, concluye Norbert.
Notas para los editores
El artículo “Cosmological constraints from the Hubble diagram of quasars at high redshifts” de G. Risaliti y E. Lusso, está publicado en Nature Astronomy.
Para más información:
Guido Risaliti
Università di Firenze
INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri
Firenze, Italy
Email: risaliti@arcetri.inaf.it
Elisabeta Lusso
Centre for Extragalactic Astronomy
Durham University, UK
Email: elisabeta.lusso@durham.ac.uk
Norbert Schartel
XMM-Newton Project Scientist
European Space Agency
Email: norbert.schartel@sciops.esa.int
Markus Bauer
ESA Science Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799
Mob: +31 61 594 3 954
Email: markus.bauer@esa.int
