[:en]Astronomers establish key factor to determine the expansion of the Universe[:es]Astrónomos precisan factor clave para determinar expansión del Universo[:]

[:en]One of the greatest challenges that scientists have had to face until now is establishing a precise scale that can allow them to measure distances in the Universe. One method that has had successful results is the one that combines supernovae with Cepheid variables, which also allows to accurately establish the Hubble constant that measures the expansion of the Universe.

Nevertheless, despite its success, the Cepheid-supernovae method has had a stumbling block: how the relation between Cepheids’ luminosities and its chemical composition affect the measurements, that is, its metallicity. Additionally, there is also the problem that the value of the Hubble constant, obtained by this method, seems to have a significant difference with the value determined by currently operating Plank Satellite’s study, which measures the cosmic microwave background’s fluctuations, the most distant trace of the Big Bang explosion we know.

For this reason, according to Wolfgang Gieren –MAS’ associate researcher and astronomer of Universidad de Concepción’s Department of Astronomy and the Center for Excellence in Astrophysics and Associated Technologies CATA– it is necessary to establish a maximum precision in the Cepheids method, considering that this method depends on metallicity. With that, it can be possible to elucidate if the Hubble constant is accurate.

Although previous researches have not been clear to specify this point yet, a recent study of MAS researcher, along with his team: astronomers Piotr Wielgorski, Grzegorz Pietrzynski and Dariusz Graczyk, all from Universidad de Concepción’s Department of Astronomy, has changed this scenario. The study proves in a very clear and precise way that this dependence between Cepheids’ luminosities and its metallicity is close to zero, that is, it is not important neither for the measurement of distances in the Universe nor for the determination of the Hubble constant. Therefore, when measuring the distance of a distant galaxy with the Cepheid method, this will always generate accurate results, independent of Cepheids’ metallicity in that distant galaxy, which is usually unknown.

“Our determination of the metallicity effect is quite precise (3%,) 10 times more precise that other published studies, and it represents a major step towards the goal of measuring the Hubble constant through the Cepheids-supernovae method with an accuracy high enough to understand if the discrepancy with the value obtained by the Plank mission is real or not. If it is real, this could have consequences for our current cosmological models,” he explains.

The Valuable Magellanic Clouds

The study, which was published in the prestigious Astrophysical Journal, used the abundant Cepheid populations in the two Magellanic Clouds since their relation between their pulsation period and their “apparent magnitude” is well known. “Metallicities of Cepheids located in the two Magellanic Clouds are accurately known and are different enough to test the effect that this difference in metallicity has on the relation between pulsation and luminosity periods of Cepheids, which is the instrument used to measure their distances,” Gieren explains.

Cepheids used in this study were classified by OGLE Project in Chile that observed them in visible light, and by Infrared Survey Facility (IRSF,) a Japanese project carried out in South Africa that observed the same Cepheids in infrared light. MAS’ researcher’s team is closely collaborating with researchers from both projects.

“Comparing distances of the two Magellanic Clouds derived from their respective Cepheids in different photometric bands with those derived with very high accuracy from eclipsing binary systems in both Clouds that we previously studied in 2013 and 2014, we have been able to establish that luminosities, or Cepheid’s absolute magnitudes, have a dependence of metallicities consistent with zero, particularly in the near-infrared photometry range in which measurements of distances to galaxies with Cepheids provide the best precision. This scientific result takes us closer to our great goal: measuring the Hubble constant with an accuracy of 1%, a dream that astronomers have had for almost a century, since Edwin Hubble discovered that Universe is expanding.”

Perhaps, a conclusion that also establishes a new challenge to scientists, since it implies that it might be necessary to check some aspects of the cosmological models used by the Plank Mission’s team on their Hubble constant’s calculations.

Image: period-luminosity relations of Cepheids in both Magellanic Clouds, in different optical and near-infrared photometric bands.

 [:es]Establecer una escala precisa que permita medir distancias en el Universo es uno de los grandes desafíos que han tenido los científicos hasta ahora. Un método que ha tenido muy exitosos resultados es el que combina supernovas con las estrellas pulsantes cefeidas, el que además permite determinar con precisión la constante de Hubble, que mide la expansión del Universo.

Sin embargo, a pesar de su éxito, el método supernovas-cefeidas ha tenido una piedra de tope, que corresponde a cómo influyen en las mediciones la relación de las luminosidades de las estrellas cefeidas con su composición química, es decir, su metalicidad. Asimismo, también está el problema de que el valor de la constante de Hubble, obtenido por este método, parece tener una diferencia significativa con el valor determinado por el estudio del satélite Planck actualmente en funcionamiento, el cual que mide las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas, el vestigio más lejano que conocemos de la explosión del Big Bang.

Por todo ello entonces, según Wolfgang Gieren, investigador asociado del Instituto Milenio de Astrofísica y astrónomo del Departamento de Astronomía de la Universidad de Concepción y del Centro de Astrofísica y Tecnología Afines (CATA), se requiere que se establezca una máxima precisión en el método que utiliza las estrellas cefeidas, considerando la dependencia a la metalicidad que tienen. Con ello se podrá dilucidar si la constante de Hubble es certera, y si estas diferencias con las mediciones de la sonda Planck tienen este u otro origen.

Aunque investigaciones anteriores aún no han sido claras para precisar este punto, un reciente estudio del investigador del MAS, junto con su equipo formado por los astrónomos Piotr Wielgorski, Grzegorz Pietrzynski y Dariusz Graczyk del Departamento de Astronomía de la U. de Concepción, ha cambiado la situación. La investigación demuestra en forma muy clara y precisa que esta dependencia entre las luminosidades de las cefeidas y su metalicidad es muy cercana a cero, es decir, no es relevante para la medición de las distancias del Universo ni para determinar la constante de Hubble. Por lo tanto, al medir la distancia de una galaxia lejana con el método que utiliza las cefeidas, este siempre arrojará resultados muy exactos, independiente de la metalicidad de las cefeidas en tal galaxia lejana que usualmente es desconocida.

“Nuestra reportada determinación del efecto de metalicidad es muy precisa (3%), unas 10 veces más precisa que otros trabajos en la literatura, y representa un gran paso hacia la meta de medir la constante de Hubble a partir del método cefeidas – supernovas con una precisión lo suficientemente alta para entender si la discrepancia con el valor obtenido por la misión Planck es real o no. De ser real, esto podría tener consecuencias para nuestros actuales modelos cosmológicos”, señala.

Las valiosas Nubes de Magallanes

El estudio, que fue publicado en la prestigiosa revista The Astrophysical Journal, utilizó las abundantes poblaciones de estrellas cefeidas de las dos Nubes de Magallanes para las cuales las relaciones de su periodo de pulsación con su “magnitud aparente” son bien conocidas. “Las metalicidades de las cefeidas en las dos Nubes de Magallanes se conocen con mucha precisión y son lo suficientemente diferentes para testear el efecto que esta diferencia en metalicidad tiene sobre la relación entre los periodos de pulsación y la luminosidad que cumplen las Cefeidas, y que es el instrumento que usamos para medir sus distancias”, explica Gieren.

Las cefeidas utilizadas en el estudio fueron catalogadas por el proyecto OGLE en Chile que los observó en la luz visible, y por la Infrared Survey Facility (IRSF), proyecto japonés llevado a cabo en Sudáfrica que observó las mismas Cefeidas en luz infrarroja. El equipo del investigador del MAS está colaborando estrechamente con investigadores de ambos proyectos.

“Comparando las distancias de las dos Nubes de Magallanes derivadas a partir de sus respectivas cefeidas en diferentes bandas fotométricas, con aquellas derivadas con una gran precisión a partir de estrellas binarias eclipsantes en ambas Nubes que estudiamos previamente en 2013 y 2014, hemos podido establecer que las luminosidades, o magnitudes absolutas de las Cefeidas tienen una dependencia de sus metalicidades que es compatible con cero, particularmente en el rango fotométrico del infrarrojo cercano en el cual las mediciones de las distancias a galaxias con Cefeidas entregan la mayor precisión. Este resultado nos acerca a la gran meta de medir la constante de Hubble con una precisión del 1%, un sueño que los astrónomos tienen desde casi un siglo cuando Edwin Hubble descubrió la expansión del Universo”.

Un resultado que posiblemente también impone un nuevo desafío para los especialistas, pues implica que puede ser necesario revisar algunos aspectos de los modelos cosmológicos utilizados por el grupo científico de la misión Planck en su cálculo del valor de la constante de Hubble.

Imagen: relaciones periodo-luminosidad de las Cefeidas en la Gran Nube de Magallanes, en diferentes bandas fotométricas en el rango óptico e infrarrojo.
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