Las ondas gravitacionales pronto podrían proporcionar una medida de la expansión del universo

Los científicos de UChicago estiman, basándose en la primera detección rápida de LIGO de una primera colisión de una estrella de neutrones, que podrían tener una medición extremadamente precisa de la tasa de expansión del universo dentro de cinco a diez años. Crédito: Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science.

En 5 a 10 años, las ondas gravitacionales podrían medir con precisión la expansión del universo según un estudio de UChicago: las nuevas lecturas de LIGO podrían mejorar la medición en disputa rápidamente. 

Hace veinte años, los científicos se sorprendieron al darse cuenta de que nuestro universo no solo se está expandiendo, sino que se está expandiendo más rápido con el tiempo. 

Resulta sorprendentemente difícil determinar la tasa exacta de expansión, llamada la constante de Hubble después del famoso astrónomo y ex alumno de UChicago Edwin Hubble. Desde entonces, los científicos han usado dos métodos para calcular el valor, que arrojan resultados angustiosamente diferentes. Pero la sorprendente captura del año pasado de las ondas gravitacionales que irradian de una colisión de estrellas de neutrones ofreció una tercera forma de calcular la constante de Hubble. 

A diferencia de las detecciones anteriores de la fusión de agujeros negros por parte de LIGO, las dos estrellas de neutrones que colisionaron emitieron un destello de luz brillante, haciéndolo visible a los telescopios en la Tierra. Crédito: A. Simon

Eso fue solo un punto de datos de una colisión, pero en un nuevo artículo publicado el 17 de octubre en Nature, tres científicos de la Universidad de Chicago estiman que, dada la rapidez con que los investigadores vieron la primera colisión de una estrella de neutrones, podrían obtener una medición muy precisa de la Constante de Hubble dentro de cinco a diez años. 

"La constante de Hubble te dice el tamaño y la edad del universo; ha sido un santo grial desde el nacimiento de la cosmología. Calcular esto con ondas gravitacionales podría darnos una perspectiva completamente nueva sobre el universo", dijo el autor del estudio Daniel Holz El profesor de física de UChicago que fue coautor del primer cálculo de este tipo desde el descubrimiento de 2017. "La pregunta es: ¿cuándo se convierte en un cambio de juego para la cosmología?" 

En 1929, Edwin Hubble anunció que, basándose en sus observaciones de galaxias más allá de la Vía Láctea, parecían alejarse de nosotros, y cuanto más alejada estaba la galaxia, más rápido retrocedía. Esta es una piedra angular de la teoría del Big Bang, y dio inicio a una búsqueda de casi un siglo de la tasa exacta a la que está ocurriendo. 

Para calcular la velocidad a la que el universo se está expandiendo, los científicos necesitan dos números. Una es la distancia a un objeto lejano; el otro es lo rápido que se está alejando el objeto de nosotros debido a la expansión del universo. Si puedes verlo con un telescopio, la segunda cantidad es relativamente fácil de determinar, porque la luz que ves cuando miras una estrella distante se desplaza al rojo cuando se aleja. Los astrónomos han estado usando ese truco para ver lo rápido que se mueve un objeto durante más de un siglo; es como el efecto Doppler, en el que una sirena cambia de tono cuando pasa una ambulancia. 

'Preguntas importantes en los cálculos' 

Pero obtener una medida exacta de la distancia es mucho más difícil. Tradicionalmente, los astrofísicos han usado una técnica llamada escalera de distancia cósmica, en la cual el brillo de ciertas estrellas variables y supernovas se puede usar para construir una serie de comparaciones que llegan al objeto en cuestión. "El problema es que, si rascas debajo de la superficie, hay muchos pasos con muchas suposiciones en el camino", dijo Holz. 

Quizás las supernovas utilizadas como marcadores no son tan consistentes como se piensan. Tal vez estamos confundiendo algunos tipos de supernovas con otras, o hay algún error desconocido en nuestra medida de las distancias a las estrellas cercanas. "Hay una gran cantidad de astrofísica complicada allí que podría desviar las lecturas de varias maneras", dijo. 

La Cámara de la Energía Oscura tomó estas fotos del brillo brillante emitido por la colisión de la estrella de neutrones, que se desvaneció en las próximas semanas. Crédito: Dark Energy Survey

La otra forma importante de calcular la constante de Hubble es observar el fondo cósmico de microondas: el pulso de luz creado al comienzo del universo, que aún es débilmente detectable. Si bien también es útil, este método también se basa en suposiciones sobre cómo funciona el universo. 

Lo sorprendente es que a pesar de que los científicos que realizan cada cálculo tienen confianza en sus resultados, no coinciden. Uno dice que el universo se está expandiendo casi un 10 por ciento más rápido que el otro. "Esta es una pregunta importante en cosmología en este momento", dijo el primer autor del estudio, Hsin-Yu Chen, luego estudiante de posgrado en UChicago y ahora miembro de la Iniciativa Black Hole de la Universidad de Harvard. 

Luego, los detectores LIGO recogieron su primera onda en la estructura del espacio-tiempo de la colisión de dos estrellas el año pasado. Esto no solo sacudió el observatorio, sino también el campo de la astronomía: la capacidad de sentir la onda gravitacional y ver la luz de las consecuencias de la colisión con un telescopio les dio a los científicos una herramienta nueva y poderosa. "Fue realmente más de lo que necesitábamos", dijo Holz. 

Las ondas gravitacionales ofrecen una forma completamente diferente de calcular la constante de Hubble. Cuando dos estrellas masivas chocan entre sí, envían ondas en la estructura del espacio-tiempo que se pueden detectar en la Tierra. Al medir esa señal, los científicos pueden obtener una firma de la masa y la energía de las estrellas en colisión. Cuando comparan esta lectura con la fuerza de las ondas gravitacionales, pueden inferir qué tan lejos está. 

Esta medida es más limpia y contiene menos suposiciones sobre el universo, lo que debería hacerlo más preciso, dijo Holz. Junto con Scott Hughes en el MIT, sugirió la idea de realizar esta medición con ondas gravitacionales combinadas con lecturas de telescopios en 2005. La única pregunta es con qué frecuencia los científicos podrían detectar estos eventos y qué tan buenos serían los datos de ellos. 

'Solo se va a poner más interesante' 

El artículo predice que una vez que los científicos hayan detectado 25 lecturas de colisiones de estrellas de neutrones, medirán la expansión del universo con una precisión del 3 por ciento. Con 200 lecturas, ese número se reduce a 1 por ciento. 

"Fue una gran sorpresa para mí cuando entramos en las simulaciones", dijo Chen. "Estaba claro que podíamos alcanzar la precisión y que podíamos alcanzarla rápidamente". 

La Cámara de Energía Oscura, montada en el Telescopio Blanco en Chile, captó imágenes del punto brillante en el cielo de la colisión de la estrella de neutrones. Los científicos de UChicago, Argonne y Fermilab son miembros de la colaboración internacional Dark Energy Survey. Crédito: Reidar Hahn/Fermilab

Un nuevo número preciso para la constante de Hubble sería fascinante sin importar la respuesta, dijeron los científicos. Por ejemplo, una posible razón para el desajuste en los otros dos métodos es que la naturaleza de la gravedad en sí misma podría haber cambiado con el tiempo. La lectura también podría arrojar luz sobre la energía oscura, una fuerza misteriosa responsable de la expansión del universo. 

"Con la colisión que vimos el año pasado, tuvimos suerte, fue muy cerca de nosotros, por lo que fue relativamente fácil de encontrar y analizar", dijo Maya Fishbach, estudiante graduada de UChicago y el otro autor de la publicación. "Las detecciones futuras estarán mucho más lejos, pero una vez que tengamos la próxima generación de telescopios, también podremos encontrar contrapartes para estas detecciones distantes". 

Se planea que los detectores LIGO comiencen una nueva sesión de observación en febrero de 2019, junto con sus homólogos italianos en VIRGO. Gracias a una actualización, las sensibilidades de los detectores serán mucho más altas, lo que aumentará el número y la distancia de los eventos astronómicos que pueden recoger. 

"Sólo se pondrá más interesante desde aquí", dijo Holz. 

El profesor Daniel Holz analiza el papel de los científicos de UChicago en la detección histórica de ondas gravitacionales de LIGO a partir de dos estrellas de neutrones en colisión. Crédito: The University of Chicago

Fuente: Universidad de Chicago,