Desde su inicio hace 13,8 mil millones de años, el universo ha seguido expandiéndose, dispersando cientos de miles de millones de galaxias y estrellas como pasas en una masa que crece rápidamente. Los astrónomos han apuntado telescopios a ciertas estrellas y otras fuentes cósmicas para medir su distancia a la Tierra y su tasa de remoción, dos parámetros que son necesarios para calcular la constante de Hubble, una unidad de medida que describe la tasa a la que se expande el universo.
Pero hasta la fecha, los intentos más precisos de estimar la constante de Hubble arrojaron valores muy dispersos y no permitieron llegar a una conclusión final sobre la rapidez con la que crece el universo. Esta información, según los científicos, debería arrojar luz sobre el origen del Universo y sobre su destino: ¿el cosmos se expandirá infinitamente o algún día se encogerá?
Y así, científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts y de la Universidad de Harvard han propuesto una forma más precisa e independiente de medir la constante de Hubble utilizando ondas gravitacionales emitidas por sistemas relativamente raros: un sistema binario agujero negro-estrella de neutrones, un par energético trenzado en espiral por un agujero negro y una estrella de neutrones. A medida que estos objetos se mueven en la danza, crean ondas espaciales-temporales y un destello de luz cuando ocurre la colisión final.
En un artículo publicado el 12 de julio en la revista Physical Review Letters, los científicos informaron que el estallido de luz permitirá a los científicos estimar la velocidad del sistema, es decir, qué tan rápido se aleja de la Tierra. Las ondas gravitacionales emitidas, si se capturan en la Tierra, deberían proporcionar una medición independiente y precisa de la distancia al sistema. A pesar de que los sistemas binarios de agujeros negros y estrellas de neutrones son increíblemente raros, los científicos estiman que el descubrimiento de algunos de ellos hará la estimación más precisa de la constante de Hubble y la tasa de expansión del universo hasta la fecha.
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“Los sistemas binarios de agujeros negros y estrellas de neutrones son sistemas muy complejos de los que sabemos muy poco”, dice Salvatore Vitale, profesor asociado de física en el MIT y autor principal del artículo. "Si encontramos uno, el premio será nuestro avance radical en la comprensión del universo".
Vitale es coautor de Hsin-Yu Chen de Harvard.
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Constantes en competencia
Recientemente se tomaron dos mediciones independientes de la constante de Hubble, una usando el Telescopio Espacial Hubble de la NASA y la otra usando el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea. La medición de Hubble se basó en observaciones de una estrella conocida como la variable Cefeida, así como en observaciones de supernovas. Ambos objetos se consideran "velas estándar" por la previsibilidad del brillo, mediante el cual los científicos estiman la distancia a una estrella y su velocidad.
Otro tipo de evaluación se basa en observaciones de fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas: radiación electromagnética que permaneció después del Big Bang, cuando el universo aún estaba en su infancia. Aunque las observaciones de ambas sondas son extremadamente precisas, sus estimaciones de la constante de Hubble difieren enormemente.
“Y aquí es donde entra en juego LIGO”, dice Vitale.
LIGO, u observatorio láser-interferométrico de ondas gravitacionales, busca ondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio-tiempo, que nace como resultado de cataclismos astrofísicos.
"Las ondas gravitacionales proporcionan una forma muy simple y fácil de medir distancias a sus fuentes", dice Vitale. "Lo que encontramos con LIGO es una impresión directa de la distancia a la fuente, sin ningún otro análisis".
En 2017, los científicos tuvieron la primera oportunidad de estimar la constante de Hubble a partir de una fuente de ondas gravitacionales cuando LIGO y su contraparte italiana Virgo descubrieron un par de estrellas de neutrones en colisión por primera vez en la historia. Esta colisión liberó una gran cantidad de ondas gravitacionales, que los científicos midieron para determinar la distancia de la Tierra al sistema. La fusión también emitió un estallido de luz, que los astrónomos pudieron analizar con telescopios terrestres y espaciales para determinar la velocidad del sistema.
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Habiendo obtenido ambas mediciones, los científicos calcularon un nuevo valor para la constante de Hubble. Sin embargo, la estimación vino con una incertidumbre relativamente grande del 14%, mucho más incierta que los valores calculados con Hubble y Planck.
Vitale dice que gran parte de la incertidumbre se debe al hecho de que interpretar la distancia de un sistema binario a la Tierra es difícil usando las ondas gravitacionales generadas por ese sistema.
"Medimos la distancia observando qué tan 'fuerte' es la onda gravitacional, es decir, qué tan limpios serán nuestros datos", dice Vitale. “Si todo está claro, puedes ver que es fuerte y determinar la distancia. Pero esto es solo parcialmente cierto para los sistemas binarios ".
El hecho es que estos sistemas, que generan un disco giratorio de energía a medida que se desarrolla la danza de dos estrellas de neutrones, emiten ondas gravitacionales de manera desigual. La mayoría de las ondas gravitacionales se disparan desde el centro del disco, mientras que muchas menos se disparan desde los bordes. Si los científicos detectan una señal de onda gravitacional "fuerte", esto puede indicar uno de dos escenarios: las ondas detectadas nacen en los bordes de un sistema que está muy cerca de la Tierra, o las ondas provienen del centro de un sistema mucho más lejano.
“En el caso de los sistemas estelares binarios, es muy difícil distinguir entre estas dos situaciones”, dice Vitale.
Nueva ola
En 2014, incluso antes de que LIGO detectara las primeras ondas gravitacionales, Vitale y sus colegas observaron que un sistema binario de un agujero negro y una estrella de neutrones podría proporcionar una medición de distancia más precisa que las estrellas de neutrones binarias. El equipo estudió con qué precisión se puede medir la rotación de un agujero negro, siempre que estos objetos giren sobre su eje, como la Tierra, solo que más rápido.
Los investigadores han modelado varios sistemas de agujeros negros, incluidos los sistemas de estrellas de neutrones de agujeros negros y los sistemas de estrellas de neutrones binarios. En el camino, se descubrió que la distancia al agujero negro - los sistemas de estrellas de neutrones se puede determinar con mayor precisión que a las estrellas de neutrones. Vitale dice que esto se debe al giro del agujero negro alrededor de la estrella de neutrones, porque ayuda a determinar mejor de dónde vienen las ondas gravitacionales en el sistema.
“Debido a la medición de distancia más precisa, pensé que los sistemas binarios de estrellas de neutrones y agujero negro podrían ser un punto de referencia más apropiado para medir la constante de Hubble”, dice Vitale. "Desde entonces, han pasado muchas cosas con LIGO y se descubrieron ondas gravitacionales, por lo que todo se desvaneció en un segundo plano".
Vitale ha vuelto recientemente a su observación original.
"Hasta ahora, la gente ha preferido las estrellas de neutrones binarios como una forma de medir la constante de Hubble usando ondas gravitacionales", dice Vitale. “Hemos demostrado que existe otro tipo de fuente de ondas gravitacionales que no se ha explotado completamente antes: los agujeros negros y las estrellas de neutrones bailando alrededor. LIGO comenzará a recopilar datos nuevamente en enero de 2019 y será mucho más sensible, lo que significa que podemos ver objetos más distantes. Por lo tanto, LIGO podrá ver al menos un sistema de un agujero negro y una estrella de neutrones, y preferiblemente los veinticinco, y esto ayudará a resolver la tensión existente en la medición de la constante de Hubble, con suerte, en los próximos años.
Ilya Khel
