Esa mañana de julio, en una habitación con una vista obstruida del Pacífico, Riess parecía tener un segundo Premio Nobel en la mira. Entre los 100 expertos de la multitud, representantes invitados de todos los principales proyectos cosmológicos, junto con teóricos y otros especialistas interesados, nadie podía negar que sus posibilidades de éxito habían mejorado drásticamente el viernes anterior.

Antes de la conferencia, un equipo de cosmólogos que se autodenominaban H0LiCOW había publicado su nueva medición de la tasa de expansión del universo. A la luz de seis cuásares distantes, H0LiCOW fijó H0 a 73,3 kilómetros por segundo por megaparseg, significativamente más alto que la predicción de Planck. Lo que importaba era lo cerca que estaba el 73.3 de H0LiCOW de las mediciones de H0 por SH0ES, el equipo liderado por Riess. SH0ES mide la expansión cósmica utilizando una «escalera de distancia cósmica», un método escalonado para medir distancias cosmológicas. La última medición de SH0ES en marzo identificó a H0 en 74.0, bien dentro de los márgenes de error de H0LiCOW.

«Mi corazón estaba en llamas», me dijo Riess, de su primer vistazo al resultado de H0LiCOW dos semanas antes de Santa Bárbara.

Durante seis años, el equipo SH0ES afirmó que había encontrado una discrepancia con las predicciones basadas en el universo temprano. Ahora, las mediciones combinadas de SH0ES y H0LiCOW han cruzado un umbral estadístico conocido como» cinco sigma», que típicamente significa un descubrimiento de nueva física. Si la constante de Hubble no es 67, sino en realidad 73 o 74, entonces ΛCDM le falta algo, algún factor que acelere la expansión cósmica. Este ingrediente adicional añadido a la mezcla familiar de materia y energía produciría una comprensión más rica de la cosmología que la teoría ΛCDM proporciona.

Durante su charla, Riess dijo sobre el abismo entre el 67 y el 73, «Esta diferencia parece ser robusta.»

«Sé que hemos estado llamando a esto la ‘tensión constante del Hubble'», agregó, » pero ¿se nos permite aún llamar a esto un problema?»

Hizo la pregunta al también Premio Nobel David Gross, físico de partículas y ex director del Instituto Kavli de Física Teórica (KITP), donde tuvo lugar la conferencia.

«No lo llamaríamos una tensión o un problema, sino una crisis», dijo Gross.

«Entonces estamos en crisis.»

Para aquellos que tratan de entender el cosmos, una crisis es la oportunidad de descubrir algo grande. Lloyd Knox, miembro del equipo de Planck, habló después de Riess. «Tal vez la tensión constante del Hubble es la ruptura emocionante de ΛCDM que todos hemos estado, o muchos de nosotros hemos estado, esperando y esperando», dijo.

La constante de Hubble Surd

Cuando las charlas terminaron el día, muchos asistentes se amontonaron en una camioneta con destino al hotel. Pasamos por palmeras con el océano a la derecha y las montañas de Santa Ynez a la izquierda distante. Wendy Freedman, una veterana condecorada de Hubble Constant, encaramada en la segunda fila. Freedman, una mujer delgada y tranquila de 62 años, lideró el equipo que realizó la primera medición de H0 con una precisión del 10%, llegando a un resultado de 72 en 2001.

El conductor, un joven californiano barbudo, se enteró del problema del Hubble y de cómo llamarlo. En lugar de tensión, problema o crisis, sugirió «surd», que significa absurdo o irracional. La constante del Hubble.

Freedman, sin embargo, parecía menos vertiginoso que el espectador promedio de una conferencia sobre la aparente discrepancia y no estaba listo para llamarlo real. «Tenemos más trabajo que hacer,» dijo en voz baja, casi pronunciando las palabras.

Freedman pasó décadas mejorando las mediciones de H0 utilizando el método de escalera de distancia cósmica. Durante mucho tiempo, calibró los peldaños de su escalera usando estrellas cefeidas, las mismas estrellas pulsantes de brillo conocido que SH0ES también usa como «velas estándar» en su escalera de distancia cósmica. Pero le preocupan las fuentes desconocidas de error. «Ella sabe dónde están enterrados todos los esqueletos», dijo Barry Madore, el esposo de bigote blanco de Freedman y colaborador cercano, que se sentó al frente junto al conductor.

Freedman dijo que es por eso que ella, Madore y su Programa Carnegie-Chicago Hubble (CCHP) se propusieron hace varios años usar estrellas de «punta de la rama gigante roja» (TRGBs) para calibrar una nueva escalera de distancia cósmica. Los TRGB son en lo que estrellas como nuestro sol se convierten brevemente al final de sus vidas. Hinchados y rojos, se vuelven más y más brillantes hasta que alcanzan un brillo máximo característico causado por la repentina ignición de helio en sus núcleos. Freedman, Madore y Myung Gyoon Lee señalaron por primera vez en 1993 que estas gigantes rojas en pico pueden servir como velas estándar. Ahora Freedman los había puesto a trabajar. Mientras descargábamos de la camioneta, le pregunté sobre su charla programada. «Es la segunda charla después del almuerzo de mañana», dijo.

«Estar allí», dijo Madore, con un brillo en los ojos, mientras nos separábamos.

Cuando llegué a mi habitación de hotel y revisé Twitter, descubrí que todo había cambiado. Freedman, Madore y el periódico de su equipo de CCHP acababan de caer. Usando estrellas de rama gigante de punta roja, habían fijado la constante de Hubble en 69,8, notablemente por debajo de la medición de 74,0 de SH0ES usando cefeidas y 73 de H0LiCOW.3 de cuásares, y más de la mitad de la predicción de 67.4 de Planck. «El Universo está jugando con nosotros en este punto, ¿verdad?»un astrofísico tuiteó. Las cosas se ponían mal.

Dan Scolnic, un joven miembro de SH0ES con gafas con sede en la Universidad de Duke, dijo que él, Riess y otros dos miembros del equipo se habían reunido, «tratando de averiguar qué había en el periódico. Adam y yo salimos a cenar y estábamos bastante perplejos, porque en lo que habíamos visto hasta ese momento, las cefeidas y los TRGB estaban muy de acuerdo.»

Pronto se enfocaron en el cambio clave en el papel: una nueva forma de medir los efectos del polvo al medir el brillo intrínseco de los TRGBs, el primer peldaño de la escalera de distancia cósmica. «Teníamos un montón de preguntas sobre este nuevo método», dijo Scolnic. Al igual que otros participantes repartidos por todo el Best Western Plus, esperaban ansiosos la charla de Freedman al día siguiente. Scolnic tuiteó: «Mañana va a ser interesante.»

Para Construir una Escalera de Distancia

Tensión, problema, crisis, surd – ha habido una constante de Hubble algo durante 90 años, desde que las gráficas del astrónomo estadounidense Edwin Hubble de las distancias y velocidades recesivas de las galaxias mostraron que el espacio y todo lo que hay en él se está alejando de nosotros (a pesar de la negativa del propio Hubble a aceptar esta conclusión). Uno de los mayores descubrimientos cosmológicos de todos los tiempos, la expansión cósmica implica que el universo tiene una edad finita.

La relación entre la velocidad recesiva de un objeto y su distancia da la constante de Hubble. Pero mientras que es fácil saber qué tan rápido se está alejando una estrella o galaxia, solo mida el cambio Doppler de sus frecuencias, un efecto similar a una sirena que cae en tono mientras la ambulancia se aleja, es mucho más difícil saber la distancia de un pinchazo de luz en el cielo nocturno.Fue Henrietta Leavitt, una de las «computadoras» humanas del Observatorio de la Universidad de Harvard, quien descubrió en 1908 que las estrellas cefeidas pulsan con una frecuencia proporcional a su luminosidad. Las cefeidas grandes y brillantes pulsan más lentamente que las pequeñas y tenues (al igual que un acordeón grande es más difícil de comprimir que uno pequeño). Y así, a partir de las pulsaciones de una cefeida distante, se puede leer lo intrínsecamente brillante que es. Compara eso con lo débil que parece la estrella, y puedes saber su distancia, y la distancia de la galaxia en la que se encuentra.

En la década de 1920, el Hubble utilizó cefeidas y la ley de Leavitt para inferir que Andrómeda y otras «nebulosas espirales» (como se las conocía) son galaxias separadas, mucho más allá de nuestra Vía Láctea. Esto reveló por primera vez que la vía Láctea no es todo el universo, que el universo es, de hecho, inconcebibles. El Hubble luego usó cefeidas para deducir las distancias a las galaxias cercanas, que, trazadas en función de sus velocidades, revelaron la expansión cósmica.

Hubble sobrestimó la velocidad en 500 kilómetros por segundo por megaparseg, pero el número disminuyó a medida que los cosmólogos usaron cefeidas para calibrar escaleras de distancia cósmica cada vez más precisas. A partir de la década de 1970, el eminente cosmólogo observacional y protegido del Hubble Allan Sandage argumentó que H0 tenía alrededor de 50 años. Sus rivales reclamaron un valor de alrededor de 100, basado en diferentes observaciones astronómicas. El vitriólico debate de 50 contra 100 estaba en auge a principios de los años 80 cuando Freedman, un joven canadiense que trabajaba como postdoctorado en los Observatorios Carnegie en Pasadena, California, donde Sandage también trabajaba, se propuso mejorar las escaleras de distancia cósmica.

Para construir una escalera de distancia, comience calibrando la distancia a las estrellas de luminosidad conocida, como las cefeidas. Estas velas estándar se pueden usar para medir las distancias a cefeidas más débiles en galaxias más lejanas. Esto da las distancias de las «supernovas Tipo 1a» en las mismas galaxias, explosiones estelares predecibles que sirven velas estándar mucho más brillantes, aunque más raras. Luego utilizas estas supernovas para medir las distancias a cientos de supernovas más lejanas, en galaxias que se mueven libremente en la corriente de expansión cósmica, conocida como el «flujo del Hubble».»Estas son las supernovas cuya relación de velocidad a distancia da H0.

Pero aunque se supone que el desmayo de una vela estándar indica su distancia, el polvo también atenúa las estrellas, haciéndolas mirar más lejos de lo que están. La aglomeración de otras estrellas puede hacer que se vean más brillantes (y, por lo tanto, más cercanas). Además, incluso las supuestas estrellas de velas estándar tienen variaciones inherentes debido a la edad y la metalicidad que deben corregirse. Freedman ideó nuevos métodos para lidiar con muchas fuentes de error sistemático. Cuando empezó a tener valores de H0 más altos que los de Sandage, se volvió antagónico. «Para él, era una joven advenediza», me dijo en 2017. Sin embargo, en los años 90, montó y dirigió el Proyecto Clave del Telescopio Espacial Hubble, una misión para usar el nuevo telescopio Hubble para medir distancias a cefeidas y supernovas con mayor precisión que nunca. El valor H0 de 72 que su equipo publicó en 2001 dividió la diferencia en el debate de 50 contra 100.Freedman fue nombrado director de los Observatorios Carnegie dos años más tarde, convirtiéndose en el jefe de Sandage. Ella fue amable y él se ablandó. Pero» hasta el día de su muerte», dijo, » creía que la constante de Hubble tenía un valor muy bajo.»

Unos años después de la medición de Freedman de 72 a 10% de precisión, Riess, que es profesor de la Universidad Johns Hopkins, se metió en el juego de escalera de distancia cósmica, con la intención de clavar a H0 en un 1% con la esperanza de comprender mejor la energía oscura que había co-descubierto. Desde entonces, su equipo SH0ES ha ajustado constantemente los peldaños de la escalera, especialmente el primero y más importante: el paso de calibración. Como dijo Riess, » ¿Qué tan lejos está algo? Después de eso, la vida se vuelve más fácil; estás midiendo cosas relativas.»SH0ES utiliza actualmente cinco formas independientes de medir las distancias a sus calibradores de cefeida. «Todos están de acuerdo bastante bien, y eso nos da mucha confianza», dijo. A medida que recopilaron datos y mejoraron su análisis, las barras de error alrededor de H0 se redujeron al 5% en 2009, luego al 3,3%, luego al 2,4% y luego al 1,9% en marzo.

Mientras tanto, desde 2013, las iteraciones cada vez más precisas de su mapa de fondo cósmico de microondas del equipo de Planck le han permitido extrapolar el valor de H0 con mayor precisión. En su análisis de 2018, Planck encontró que H0 era de 67,4 con una precisión del 1%. Con Planck y SH0ES separados por más de «cuatro sigma», surgió una necesidad desesperada de mediciones independientes.

Tommaso Treu, uno de los fundadores de H0LiCOW y profesor de la Universidad de California, Los Ángeles, había soñado desde sus días de estudiante en Pisa con medir la constante de Hubble utilizando cosmografía de retardo de tiempo, un método que salta por completo los peldaños de la escalera de distancia cósmica. En su lugar, se determina directamente la distancia a los cuásares, los centros parpadeantes y brillantes de galaxias lejanas, midiendo minuciosamente el tiempo de retardo entre diferentes imágenes de un cuásar que se forman a medida que su luz se dobla alrededor de la materia que interviene.