Desde hace décadas, los astrónomos saben que el universo se está expandiendo. Para determinar qué tan rápido está creciendo hoy, los científicos calculan un valor llamado constante de Hubble. Se utilizan múltiples técnicas independientes para medir esto y, dado que se basan en la misma física subyacente, deberían producir resultados consistentes. En cambio, las mediciones basadas en observaciones del universo temprano entran en conflicto con las extraídas del universo reciente. Esta discrepancia se conoce como atracción del Hubble y constituye uno de los problemas sin resolver más importantes de la cosmología moderna.
Un equipo de astrofísicos y cosmólogos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Facultad de Ingeniería Granger de la Universidad de Chicago ha desarrollado una nueva forma de calcular la constante de Hubble utilizando ondas gravitacionales, que son ondas diminutas en el espacio-tiempo. Su método mejora la precisión de técnicas anteriores basadas en ondas gravitacionales. A medida que los detectores se vuelven más sensibles, este enfoque podría proporcionar mediciones más nítidas, lo que podría ayudar a los científicos a cerrar la brecha detrás de la tensión del Hubble.
“Este resultado es muy significativo: obtener una medida independiente de la constante de Hubble es fundamental para resolver la tensión actual de Hubble. Nuestro método es una forma innovadora de aumentar la precisión de las estimaciones de la constante de Hubble utilizando ondas gravitacionales”, dijo el profesor de física de Illinois, Nicholas Younes. Younes es el director fundador del Centro de Estudios Avanzados del Universo de Illinois (ICASU) en el campus de Urbana.
“No todos los días se nos ocurre una herramienta completamente nueva para la cosmología”, dijo Daniel Holz, profesor de física, astronomía y astrofísica de la Universidad de Chicago y coautor del estudio. También esperamos aplicar nuestros métodos a futuros conjuntos de datos para ayudar a limitar otras cantidades cosmológicas clave”.
El equipo de investigación incluye al estudiante graduado en física de Illinois, Bryce Cousins, miembro de investigación de posgrado de la NSF y autor principal del estudio; Kristen Schumacher, estudiante de posgrado en física de Illinois y becaria de investigación de posgrado de la NSF; Ka-wai Adrian Chung, investigador postdoctoral asociado en física de Illinois; y los investigadores postdoctorales de la Universidad de Chicago, Colm Talbot y Thomas Callister, ambos becarios postdoctorales del Instituto Kavli en Física Cosmológica. Los resultados han sido aceptados para su publicación. carta de revisión física y aparecerá en la edición del 11 de marzo. El documento completo ya está disponible en arXiv.
¿Cómo miden los científicos la expansión del universo?
Desde principios del siglo XX, los investigadores se han basado en dos técnicas principales para medir la expansión del universo. Un método utiliza observaciones electromagnéticas, el otro utiliza ondas gravitacionales. Un método electromagnético muy conocido consiste en “velas estándar”, como las supernovas, que son poderosas explosiones estelares. Como los astrónomos entienden cuán brillantes son realmente estos eventos, pueden calcular tanto su distancia a la Tierra como la velocidad a la que se alejan. La combinación de estos números revela la tasa de expansión del universo.
En los últimos años, las ondas gravitacionales han abierto otra vía. Estas ondas se producen cuando chocan objetos extremadamente densos como los agujeros negros. Las ondas viajan a través del espacio a la velocidad de la luz, como una onda circular que se propaga por el agua después de dejar caer una piedra en un estanque. En la Tierra, la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), una red global con más de 2.000 miembros, detecta estas señales.
Las ondas gravitacionales también se pueden utilizar para estimar distancias mediante lo que se conoce como método de sirena estándar. Sin embargo, determinar qué tan rápido está disminuyendo la fuente debido a la expansión cósmica es más difícil. Para medir esa velocidad, los astrónomos normalmente necesitan detectar la luz de una fusión o identificar la galaxia donde ocurrió.
Idealmente, todas estas técnicas indicarían la misma constante de Hubble. Más bien, no están de acuerdo. Si la tensión persiste, puede indicar que los científicos necesitan revisar su comprensión del universo primitivo. Las explicaciones propuestas incluyen la energía oscura primordial, las interacciones entre la materia oscura y los neutrinos o cambios en el comportamiento de la energía oscura a lo largo del tiempo.
Un nuevo método de fondo de ondas gravitacionales
En su último trabajo, Younes, Cousin y sus colegas describen una nueva forma de estimar la constante de Hubble estudiando las colisiones de agujeros negros que los detectores actuales no pueden detectar individualmente. En conjunto, estos innumerables fenómenos tenues forman lo que se llama el fondo de ondas gravitacionales.
“Debido a que estamos observando las colisiones de agujeros negros individuales, podemos determinar la velocidad a la que ocurren esas colisiones en todo el universo. Basándonos en esas velocidades, esperamos que haya muchos más eventos que no podemos observar, llamados fondo de ondas gravitacionales”, explicó Cousins.
El equipo demostró que cuanto menor es la constante de Hubble, menor es el volumen total observable del universo. Esto significa que las colisiones de agujeros negros se concentran en un espacio más reducido, lo que aumenta la fuerza general del fondo de ondas gravitacionales. Si esta señal de fondo no se detecta a un nivel determinado, se descartan tasas de expansión lentas.
Los investigadores llaman a su enfoque el método de la sirena estocástica, que refleja la naturaleza aleatoria de las colisiones que contribuyen al fondo de ondas gravitacionales.
Utilizando datos actuales de LVK, el equipo probó su método. Incluso sin detectar directamente el fondo de ondas gravitacionales, pudieron descartar velocidades de expansión particularmente lentas. Cuando combinaron el método estocástico de la sirena con mediciones existentes de fusiones de agujeros negros individuales, obtuvieron una estimación más precisa de la constante de Hubble. Sus resultados se encuentran dentro del rango asociado con la tensión de Hubble, lo que muestra el potencial del método para afinar futuras mediciones.
A medida que mejoren las observaciones de ondas gravitacionales, esta técnica debería volverse más sólida. Los científicos esperan detectar el fondo de ondas gravitacionales en unos seis años. Hasta entonces, los límites cada vez más estrictos de la señal de fondo seguirán estrechando el rango posible de la constante de Hubble.
“Esto debería allanar el camino para futuras aplicaciones de este método a medida que sigamos aumentando la sensibilidad, restringiendo mejor el fondo de ondas gravitacionales y posiblemente detectándolo”, dijo Cousins. “Al incluir esa información, queremos obtener mejores resultados cosmológicos y acercarnos a resolver la excitación del Hubble”.
Apoyo a la investigación y recursos informáticos.
El análisis se basa en el Illinois Campus Cluster, administrado por el Programa Illinois Campus Cluster en asociación con el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación.
La financiación provino del Programa de becas de investigación para graduados de la NSF bajo la subvención n.º DGE 21-46756 y la subvención n.º DGE-1746047 y los premios PHY-2207650, PHY-2207650 y PHY2110507. El Premio de la Fundación Simmons No. 896696 y la Subvención de la NASA No. 80NSSC22K0806 brindaron apoyo adicional. El apoyo también provino del Instituto Kavli de Física Cosmológica a través de una beca posdoctoral de Eric y Wendy Schmidt AI y la Fundación Kavli en Ciencias y una subvención de su fundador, Fred Kavli. Los resultados presentados no son necesariamente los de los investigadores y agencias de financiación.
