Edad del universo según las estrellas más antiguas: nuevo golpe a las soluciones «tempranas» de la tensión de Hubble ✦
A partir de una muestra de 247 103 estrellas del catálogo LAMOST DR7 y paralajes de Gaia eDR3, se estimó la edad del Universo. Las edades estelares se determinaron mediante isocronas YY (hasta 20 mil millones de años); tras seleccionar objetos con baja metalicidad y alto contenido de elementos α, y verificar la concordancia con las edades FLAME, la muestra final fue de 155 600 estrellas dentro de 5 kpc. La reconstrucción de la distribución oculta de edades por el método MCMC dio una edad de la estrella más antigua A★ = 13,73+0,18–0,15 mil millones de años. El resultado coincide con el esperado en el modelo ΛCDM (13,8 mil millones de años) suponiendo que las primeras estrellas longevas se formaron 0,2 mil millones de años después del Big Bang. Tal concordancia desafía las soluciones a la «tensión de Hubble» basadas en nueva física antes de la recombinación, que predicen una edad del Universo de aproximadamente 12,9 ± 0,2 mil millones de años. Las incertidumbres del modelado estelar no permiten conciliar estos valores, dadas la baja metalicidad de las estrellas más antiguas y las restricciones astrosísmicas.
Context
La edad del universo es una magnitud fundamental que define toda la historia cósmica. Ya Georges Lemaître propuso que la expansión comenzó a partir de un estado superdenso, Edwin Hubble lo confirmó experimentalmente al descubrir el corrimiento al rojo de las galaxias, y Vera Rubin encontró pruebas convincentes de la existencia de la materia oscura en los brazos espirales. Hoy en día, el modelo cosmológico estándar ΛCDM, que incluye la materia oscura y la energía oscura, basándose en los datos del fondo cósmico de microondas predice una edad de 13,8 mil millones de años. Sin embargo, existe la tensión de Hubble, una discrepancia entre el valor de la constante de Hubble obtenido a partir del fondo cósmico y las mediciones locales con supernovas. Una clase de soluciones propone un aumento del ritmo de expansión en el universo temprano, lo que inevitablemente reduce su edad a unos 12,9 mil millones de años. Una determinación independiente de la edad mediante las estrellas más antiguas de nuestra Galaxia puede dirimir este debate. Porque si en el universo nacieron y han sobrevivido hasta hoy estrellas con más de 13 mil millones de años, entonces no puede ser más joven que ese límite: el efecto de tiempo cosmológico es inexorable. Sumando el tiempo típico (∼0,2 mil millones de años) desde el Big Bang hasta la formación de las primeras estrellas longevas, obtenemos un límite inferior para la edad del cosmos.
Methods
Los científicos tomaron un catálogo de 247 103 estrellas, para las cuales el sondeo LAMOST obtuvo espectros de alta calidad, y el telescopio espacial Gaia midió paralajes precisas. La edad de cada estrella se determinó mediante una comparación bayesiana de su temperatura y luminosidad con las trayectorias evolutivas (isócronas) para diferentes contenidos de helio y carbono. Para descartar estrellas con estimaciones erróneas, se aplicaron ingeniosos filtros poblacionales: por ejemplo, según la composición química, las estrellas antiguas deben ser pobres en hierro y estar enriquecidas con elementos alfa, nacidos en explosiones de supernovas. También se compararon las edades con determinaciones independientes a partir de los datos de Gaia. La muestra final incluyó 155 600 estrellas situadas a menos de 5000 años luz del Sol. Después, se reconstruyó la distribución real oculta de edades mediante un método iterativo y cadenas de Markov Monte Carlo (MCMC), para tener en cuenta los inevitables errores de medición.
Results
La distribución reconstruida mostró una caída brusca de la probabilidad hacia una edad de unos 13,73 mil millones de años. Este valor se tomó como la edad de la estrella más antigua de la muestra: A★ = 13,73+0,18/–0,15 mil millones de años. Sumando 0,2 mil millones de años para la formación de las primeras estrellas, obtenemos una edad del universo de aproximadamente 13,93 mil millones de años. Esta cifra coincide con gran precisión con la predicción del modelo ΛCDM estándar: 13,8 mil millones de años. Al mismo tiempo, el valor esperado en los modelos de «nueva física temprana» (12,9 mil millones de años) difiere del medido en casi 0,8 mil millones de años, lo que corresponde a una discrepancia de más de 3σ. Incluso con criterios de selección intencionadamente reducidos, la edad mínima de la estrella más antigua fue de 13,31 mil millones de años, todavía demasiado alta para las soluciones «tempranas» de la tensión de Hubble. El análisis de una muestra de control de 1556 estrellas con huellas químicas de las primeras generaciones dio una estimación cercana: 13,85 mil millones de años. Así pues, el resultado es robusto frente a los métodos y criterios, y el universo claramente ha tenido tiempo de envejecer hasta nuestros días.
Implications
El límite de edad obtenido pone en duda toda una clase de explicaciones de la tensión de Hubble que recurren a nueva física antes de la época de recombinación, como partículas relictas adicionales o una interacción gravitatoria variable. Para «rejuvenecer» el universo hasta 12,9 mil millones de años sin entrar en conflicto con nuestros datos, habría que suponer un intervalo demasiado corto entre el Big Bang y la aparición de las primeras estrellas, lo que no concuerda bien con las observaciones de las galaxias más lejanas. Por consiguiente, la resolución de la paradoja de Hubble probablemente deba buscarse en el universo tardío, por ejemplo, en inhomogeneidades locales (vacíos galácticos) o en la gravedad modificada. Para el modelo estándar ΛCDM y sus componentes —la materia oscura y la energía oscura— el resultado supone una confirmación adicional.
Future development
La mejora adicional de la edad de las estrellas más antiguas está vinculada al perfeccionamiento de los modelos de evolución estelar, especialmente en lo que respecta a la mezcla de materia en el interior y la abundancia de helio, así como al uso de nuevos datos observacionales. Futuros sondeos, incluido el telescopio espacial James Webb, permitirán detectar estrellas de baja masa aún más antiguas, y los métodos de espectroscopía de alta resolución precisarán la composición química. Además, el desarrollo de la astrosismología permitirá medir directamente las edades de estrellas «matusalenas» individuales. Todo ello reducirá los errores sistemáticos y, posiblemente, permitirá distinguir entre escenarios cosmológicos tardíos competidores.
Impact
Los resultados afectan directamente a la cosmología del universo temprano y a cuestiones fundamentales sobre la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura. También son importantes para la arqueología galáctica, que estudia la historia de la formación de la Vía Láctea, y para la teoría de las supernovas, que determinan la evolución química.
Next steps
Los investigadores planean reprocesar los datos utilizando las isócronas más recientes (por ejemplo, MIST II en lugar de YY) e incorporar edades astrosismológicas para reducir las incertidumbres sistemáticas. También se propone ampliar la muestra con estrellas más lejanas que tengan paralajes fiables de futuras publicaciones de Gaia.
Key open problems
La edad medida de las estrellas más antiguas está directamente relacionada con la tensión de Hubble y restringe las teorías de la energía oscura y la materia oscura, ya que estas determinan el ritmo de expansión del universo a lo largo de toda su historia. También arroja luz sobre los procesos en la época posterior al Big Bang, cuando se encendieron las primeras estrellas, enriqueciendo el cosmos con helio y carbono.
🎯 La estrella más antigua de este estudio es un típico subgigante de unas 0,8 masas solares, que pasó en tranquila «mediana edad» (en la secuencia principal) más de 13 mil millones de años y solo recientemente ha comenzado a hincharse, preparándose para convertirse en una gigante roja. ¡Podríamos decir que la hemos pillado en el momento en que se disponía a «jubilarse»!
🎬 En la novela «Tau Cero» de Paul Anderson, una nave espacial acelera hasta velocidad sublumínica y la tripulación observa cómo miles de millones de años pasan fuera; para los viajeros el tiempo casi se detiene mientras el universo envejece. Nuestro trabajo recuerda que, incluso sin abandonar las cercanías del Sol, se puede escudriñar el pasado profundo del cosmos, y para ello basta con estudiar con atención los «fósiles» estelares.
Key numbers
- A★: 13.73 +0.18 / -0.15 Gyr
- Edad del universo (ΛCDM): 13.8 Gyr
- Edad del universo (soluciones tempranas): 12.9 ± 0.18 Gyr
- Tamaño de la muestra: 155 600 estrellas
- Distancia a las estrellas: < 5 kpc (aproximadamente 16 000 años luz)