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Nov 02 2010

Breve introducción a la medida de distancias en el Universo: uso de “Standard Candles”

(Basado en el “Jubilee debate 1996 by ASP”)
Introducción
El estudio de las distancias en el universo require del uso de objetos denominados standard candles (en castellano Velas estandares, aunque se usará a continuación el término en inglés), cuyas propiedades muestran homegeneidad a lo largo de todo el universo.  Esto nos permite, conociendo las propiedades de algunos de ellos, extrapolarlo. Nos centraremos en el estudio de las distancias entre galaxias, principalmente en el estudio de las supernovas tipo Ia como standard candles.
¿Está H0 bien definida?
Hay varios caminos a la hora de calcular el valor de H0, como puede ser el estudio de estrellas, supernovas, galaxias, cúmulos de galaxias, pero hay dos cosas que se hacen evidentes:
a. El intento de calcular H0 ha ayudado a descubrimientos paralelos
b. No hay un criterio homogéneo a la hora de determinar si H0 está bien definida. En los estudios de cómo asociar galaxias a un cúmulo de galaxias determinado, no hay un criterio homogéneo a la hora de definirlo. Por otro lado, tampoco hay un análisis entre grupos de los datos calculados por los otros.
Todo esto puede causar que la forma de determinar H0 no esté bien definida.
La relación entre distancia y velocidad radial en las nebulosas extragalácticas
Las primeras formas de determinar las distancias de las nebulosas extragalácticas (Actualmente sabemos que son galaxias como la nuestra) usaban el estudio de estrellas cuyos tipos podían ser identificados. Entre ellos tenemos las estrellas variables cefeidas, las novas y las estrellas azules dentro de nebulosas de emisión.
El límite para estas técnicas venía puesto por la capacidad de ser resueltas en dichas nebulosas. Este límite fue establecido en la luminosidad de -6.3 fotograficamente. Incluso de esta manera, había que tener cuidado, porque solamente se podían usar las estrellas más brillantes.
A tal efecto, Hubble realizo un estudio en 46 nebulosas, pudiendo calcular la distancia a 24 de estos objetos extragalácticos. De los resultados obtenidos calculó que tenían una velocidad propia de entre 110 y 150 km/s. En el caso de los objetos cuya distancia no era conocida, uso dos maneras de estudiarlos: por un lado estimar la distancia en base a la magnitud aparente promedio, y por otro lado asumiendo la relación previamente calculada entre distancia y velocidad.
De este modo encontró una relación lineal entre velocidad y distancia, no solamente a nivel de nebulosas individuales, sino también de los grupos.
Escalas de distancias extragalacticas
A la hora de determinar las distancias de galaxias lejanas, tenemos diversas maneras de hacerlo. Con distancias grandes, el observar las standard candles es difícil. El primer intento de determinar H0 dio un error muy alto, siendo de H0=559 km s-1 Mpc-1. Posteriormente, en 1954 Baade descubrio la diferencia entre las variables Cefeidas de tipo I y la variables W Vir, ajustando el valor a H0=280 Km s-1 Mpc-1. Posteriormente, en 1958, Sandage, descubrió algunas estrellas brillantes consideradas por Hubble, en realidad no lo eran, ajustando nuevamente el valor a H0=75 km s-1 Mpc-1. Hoy en día se considera que el valor está entre 50 y 100 Km s-1 Mpc-1. En el caso de los cálculos realizados en base a las supernovas de tipo Ia, este valor se situa entre 50 y 65 km s-1 Mpc-1. Quizas en un futuro este valor se ajuste mejor usuando lentes gravitatorias.
Se van a analizar tres métodos de medir las distancias a las galaxias:
a. Uso de supernovas de tipo Ia como standard candles: En 1968, Kowal uso por primera vez las supernovas de tipo I como standard candles. No mostraban desviaciones sistematicas y parecían ser buenos indicadores. En 1990, Harkness y Wheeler descubrieron dos tipos de supernovas de tipo I: las Ia, procedentes de poblaciones estelares viejas, y las Ib/c procedentes de estrellas jóvenes y masivas. Sin embargo en 1991, dos observaciones cambiaron la idea de que este tipo de supernovas podían ser buenos standard candles: Por un lado, en M84 apareció la supernova 1991bg, la cual era mucho menos luminosa que la 1957B, observada en la misma galaxia en 1957. Por otro lado la supernova 1991T fue superluminosa. Esto cuestiono que las supernovas de tipo Ia fuesen buenos indicadores para medir las distancias. También otras comparaciones con estrellas variables cefeidas indican discrepancias en los resultados.
b. Uso de los diametros de galaxias: En 1993 Sandage asumio que las galaxias supergigantes de tipo ScI, tenian diametros lineales constantes. A partir de ello determino un valor H0 de 43 km s-1 Mpc-1. Pero hay varios motivos que no hacen viable dicha suposición: Estudiando M100 y NGC309, muestran una diferencia de diámetros de 2 ó 3 veces. Además, si asumimos que M10 tiene la misma distancia que la galaxia M101, en la cual se han observado estrellas variables cefeidas, hay discrepancias entre las distancias medidas por Sandage y el HST al observar también cefeidas en M100. Finalmente comparando los diámetros de M31 y M33 con galaxias similares en los cumulos de la osa mayor y Vigo, muestran discrepancias en las distancias obtenidas.
c. Cefeidas: El HST hace posible observar estrellas variables cefeidas en galaxias lejanas. Con ello se obtiene un valor H0=72 km s-1 Mpc-1 para el cúmulo de Virgo.

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  1. Introducción a la Cosmología (6): Las 'standard candles' - Vega 0.0

    […] o su tamaño) conocida. Hay mas información sobre las standard candles en la entrada sobre la medición de distancias en el Universo en este mismo blog. Primero describamos varios conceptos:  – Luminosidad: Total de […]

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