Ondas gravitacionales pueden revelar a cómo se expande el Universo

Científicos del MIT y Harvard han propuesto una forma más precisa para medir la constante de Hubble, una unidad de medida que describe la velocidad a la que el universo se esta expandiendo.

Hasta la fecha, los esfuerzos más precisos han recaído en valores muy diferentes de la constante de Hubble, que no ofrecen una resolución definitiva de lo rápido que está creciendo el universo. Esta información, creen los científicos, podría arrojar luz sobre los orígenes del universo, así como sobre su destino, y si el cosmos se expandirá indefinidamente o finalmente colapsará.

La propuesta se basa en el uso de ondas gravitacionales emitidas por un sistema relativamente raro: un binario estrella de neutrones-agujero negro, un emparejamiento enormemente enérgico de un agujero negro en espiral y una estrella neutrón. A medida que estos objetos se rodean, deben producir ondas gravitatorias sacudidas por el espacio y un destello de luz cuando finalmente colisionen.

En un artículo en Physical Review Letters, los investigadores informan que el destello de luz les daría a los científicos una estimación de la velocidad del sistema, o lo rápido que se aleja de la Tierra. Las ondas gravitacionales emitidas, si se detectan en la Tierra, deberían proporcionar una medición independiente y precisa de la distancia del sistema.

A pesar de que los binarios de estrellas de neutrones y agujeros negros son increíblemente raros, los investigadores calculan que la detección de incluso unos pocos debería arrojar el valor más preciso hasta el momento para la constante de Hubble y la velocidad del universo en expansión.

"Los binarios estrella de neutrones-agujero negro son sistemas muy complicados, de los que sabemos muy poco", dice Salvatore Vitale, profesor asistente de física en el MIT y autor principal del artículo. "Si detectamos uno, el premio es que potencialmente pueden dar una contribución dramática a nuestra comprensión del universo".

Recientemente se hicieron dos mediciones independientes de la constante de Hubble, una que utiliza el Telescopio Espacial Hubble de la NASA y otra que utiliza el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea.

La medición del Telescopio Espacial Hubble se basa en observaciones de un tipo de estrella conocida como variable Cefeida, así como en observaciones de supernovas. Ambos objetos se consideran "velas estándar" por su patrón predecible de brillo, que los científicos pueden usar para estimar la distancia y la velocidad de la estrella.

El otro tipo de estimación se basa en observaciones de las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas: la radiación electromagnética que quedó después del Big Bang, cuando el universo todavía estaba en su infancia. Si bien las observaciones de ambas sondas son extremadamente precisas, sus estimaciones de la constante de Hubble discrepan significativamente. "Ahí es donde entra LIGO en el juego", dice Vitale.

LIGO, o interferómetro láser del observatorio de ondas gravitacionales, detecta las ondas gravitacionales: ondas en la gelatina del espacio-tiempo, producidas por fenómenos astrofísicos cataclísmicos.

"Las ondas gravitatorias proporcionan una forma muy directa y fácil de medir las distancias de sus fuentes", dice Vitale. "Lo que detectamos con LIGO es una huella directa de la distancia a la fuente, sin ningún análisis adicional".

En 2017, los científicos tuvieron su primera oportunidad de estimar la constante de Hubble a partir de una fuente de ondas gravitacionales, cuando LIGO y su homólogo italiano Virgo detectaron un par de estrellas de neutrones en colisión por primera vez. La colisión liberó una gran cantidad de ondas gravitacionales, que los investigadores midieron para determinar la distancia del sistema desde la Tierra. La fusión también lanzó un destello de luz, que los astrónomos enfocaron con telescopios terrestres y espaciales para determinar la velocidad del sistema.

Con ambas mediciones, los científicos calcularon un nuevo valor para la constante de Hubble. Sin embargo, la estimación llegó con una incertidumbre relativamente grande del 14 por ciento, mucho más incierta que los valores calculados utilizando el Telescopio Espacial Hubble y el satélite Planck.

Vitale dice que gran parte de la incertidumbre proviene del hecho de que puede ser un desafío interpretar la distancia de un binario de una estrella de neutrones de la Tierra usando las ondas gravitacionales que emite este sistema en particular.

"Medimos la distancia al observar lo 'alta' que es la onda gravitacional, es decir, lo clara que aparece en nuestros datos", dice Vitale. "Si es muy clara, se puede ver lo fuerte que es, y eso da la distancia. Pero eso es solo parcialmente cierto para los binarios de estrellas de neutrones".

Esto se debe a que estos sistemas, que crean un disco giratorio de energía cuando dos estrellas de neutrones se enroscan una en la otra, emiten ondas gravitatorias una forma desigual. La mayoría de las ondas gravitacionales se disparan directamente desde el centro del disco, mientras que una fracción mucho más pequeña escapa por los bordes. Si los científicos detectan una señal de onda gravitacional "alta", podría indicar uno de dos escenarios: las ondas detectadas provienen del borde de un sistema que está muy cerca de la Tierra, o las ondas emanaron del centro de un sistema mucho más avanzado.

"Con los binarios de estrellas de neutrones, es muy difícil distinguir entre estas dos situaciones", dice Vitale.

En 2014, antes de que LIGO hiciera la primera detección de ondas gravitatorias, Vitale y sus colegas observaron que un sistema binario compuesto por un agujero negro y una estrella de neutrones podría proporcionar una medición de distancia más precisa, en comparación con los binarios de estrellas de neutrones.

Los investigadores simularon una variedad de sistemas con agujeros negros, incluidos binarios de estrellas de neutrones y agujeros negros y binarios de estrellas de neutrones. Como un subproducto de este esfuerzo, el equipo notó que podían determinar con mayor precisión la distancia de los binarios de estrellas de neutrones y agujero negro, en comparación con los binarios de estrellas de neutrones.

"Debido a esta mejor medición de distancia, pensé que los binarios estrella de neutrones y agujero negro podrían ser una sonda competitiva para medir la constante de Hubble", dice Vitale. "Desde entonces, han sucedido muchas cosas con LIGO y el descubrimiento de las ondas gravitatorias, y todo esto quedó en segundo plano".

Recientemente, Vitale regresó a su observación original, y en este nuevo documento, se dispuso a responder una pregunta teórica: "¿Es el hecho de que cada binario de estrella de neutro-agujero negro me dará una distancia mejor para compensar el hecho de que, potencialmente, hay muchos menos en el universo que los binarios de estrella de neutrones?" dice Vitale.

Para responder a esta pregunta, el equipo realizó simulaciones para predecir la ocurrencia de ambos tipos de sistemas binarios en el universo, así como la precisión de sus mediciones de distancia. A partir de sus cálculos, concluyeron que, incluso si los sistemas binarios de neutrones superaban en número a los sistemas de estrellas de neutrones-agujero negro en 50-1, este último produciría una constante de Hubble similar en precisión a la primera.

"LIGO comenzará a tomar datos de nuevo en enero de 2019, y será mucho más sensible, lo que significa que podremos ver objetos más lejanos. Así que LIGO debería ver al menos un binario estrella de neutrones-agujero negro, y hasta 25, lo que ayudará a resolver la tensión existente en la medición de la constante de Hubble, con suerte en los próximos años", concluyó.