Físicos desarrollan un nuevo método para medir la tasa de expansión del universo

Sabemos desde hace décadas que el universo se está expandiendo. Los científicos utilizan diversas técnicas para medir la tasa actual de expansión del universo, conocida como la constante de Hubble. Estos métodos son internamente consistentes y se basan en la misma física, por lo que todos los valores observados de la constante de Hubble deberían coincidir. Sin embargo, los que provienen de conjuntos de datos del universo temprano difieren de los que provienen de conjuntos de datos del universo tardío. Este problema se conoce como la tensión de Hubble y se considera una de las preguntas abiertas más importantes de la cosmología.

Ahora, un equipo de astrofísicos, cosmólogos y físicos de la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y de la Universidad de Chicago ha desarrollado una novedosa forma de calcular la constante de Hubble mediante ondas gravitacionales (pequeñas ondulaciones en el tejido espacio-temporal). Los investigadores lograron mejorar la precisión de los métodos previos de ondas gravitacionales para medir la constante de Hubble. A medida que mejore nuestra capacidad para observar ondas gravitacionales, este nuevo método podrá utilizarse para realizar mediciones aún más precisas de la constante de Hubble, lo que acercará a los científicos a la resolución de la tensión de Hubble.

El profesor de Física de Illinois, Nicolás Yunes, afirmó: «Este resultado es muy significativo; es importante obtener una medición independiente de la constante de Hubble para resolver la tensión de Hubble actual. Nuestro método es una forma innovadora de mejorar la precisión de las inferencias de la constante de Hubble mediante ondas gravitacionales». Yunes es el director fundador del Centro de Estudios Avanzados del Universo de Illinois (ICASU) en el campus de Urbana.

Daniel Holz, profesor de Física y Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Chicago y coautor de la nueva investigación, comenta: «No todos los días se crea una herramienta completamente nueva para la cosmología. Demostramos que, al utilizar el zumbido de fondo de las ondas gravitacionales provenientes de la fusión de agujeros negros en galaxias distantes, podemos aprender sobre la edad y la composición del universo. Esta es una dirección emocionante y completamente nueva, y esperamos aplicar nuestros métodos a futuros conjuntos de datos para ayudar a restringir la constante de Hubble, así como otras magnitudes cosmológicas clave».

Además de Yunes y Holz, el equipo está formado por Bryce Cousins, estudiante de posgrado en física de Illinois, becario de investigación de posgrado de la NSF y autor principal del nuevo estudio; Kristen Schumacher, estudiante de posgrado en física de Illinois, becaria de investigación de posgrado de la NSF; Ka-wai Adrian Chung, investigador asociado postdoctoral en física de Illinois; y los investigadores postdoctorales Colm Talbot y Thomas Callister de la Universidad de Chicago, ambos becarios postdoctorales del Instituto Kavli de Física Cosmológica. El artículo ha sido aceptado para su publicación en Physical Review Letters y aparecerá en el número del 11 de marzo. El artículo completo ya está disponible en el servidor de preimpresiones de arXiv.

Mediciones previas de la constante de Hubble

Desde principios del siglo XX, los diversos métodos utilizados para medir la tasa de expansión del universo se han dividido en dos enfoques principales: técnicas que utilizan observaciones electromagnéticas y aquellas que utilizan datos de ondas gravitacionales. En el método de la vela estándar, los científicos aprovechan las características conocidas de las supernovas (explosiones brillantes de estrellas moribundas): tanto la distancia de estos eventos a la Tierra como la velocidad a la que se alejan pueden calcularse fácilmente. Los científicos pueden utilizar estos dos datos para medir la tasa de expansión del universo.

Más recientemente, la detección de ondas gravitacionales ha permitido nuevos métodos para medir la constante de Hubble. Las ondas gravitacionales se generan por las colisiones energéticas de objetos astrofísicos compactos, como los agujeros negros. Estas ondas espaciotemporales son análogas a las ondas concéntricas que se extienden por la superficie de un estanque tras el lanzamiento de una piedra al agua. Las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz y pueden llegar a los detectores terrestres. La red global que detecta ondas gravitacionales es operada por la Colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), que cuenta con más de 2000 miembros.

El uso de ondas gravitacionales para calcular la constante de Hubble es similar a la técnica electromagnética que utiliza supernovas, y las distancias a las colisiones de agujeros negros pueden determinarse fácilmente mediante el método estándar de la sirena. Sin embargo, la velocidad de recesión (la velocidad a la que el punto de colisión se aleja de la Tierra debido a la expansión del universo) no puede determinarse directamente. Para calcular la constante de Hubble mediante esta técnica, los astrónomos deben identificar la luz emitida por la fusión o encontrar su galaxia anfitriona.

Idealmente, estas diferentes técnicas producirían valores consistentes de la constante de Hubble, pero no es así. Si la tensión de Hubble no puede resolverse, podría estar revelándonos algo nuevo sobre el universo primitivo. Todas las posibles soluciones a la tensión de Hubble incluyen modificar la teoría de la composición o el comportamiento energético del universo primitivo, lo que explicaría las diferencias en las tasas de expansión medidas. Estas soluciones propuestas incluyen la presencia de energía oscura temprana, una fuerza que provoca la expansión acelerada del universo; o las interacciones entre la materia oscura, una forma de materia invisible al ojo humano que constituye la mayor parte de la materia del universo, y los neutrinos, partículas elementales que interactúan mediante la gravedad; o la evolución de la dinámica de la energía oscura.

Un nuevo método de ondas gravitacionales para medir la constante de Hubble
En la investigación actual, Yunes, Cousins ​​y sus colaboradores proponen un método innovador para medir la constante de Hubble que aprovecha las colisiones astrofísicas que la red LVK aún no es lo suficientemente sensible para detectar, conocidas como el fondo de ondas gravitacionales.

«Dado que observamos colisiones individuales de agujeros negros, podemos determinar la velocidad con la que ocurren esas colisiones en todo el universo. Con base en estas velocidades, prevemos que habrá muchos más eventos que no podemos observar, lo que se denomina fondo de ondas gravitacionales», explica Cousins.

El equipo demuestra que, a valores más bajos de la constante de Hubble, el volumen total de espacio donde se producen las colisiones es menor, por lo que la densidad de colisiones entre objetos es mayor. Esto aumentaría la intensidad de la señal de fondo de ondas gravitacionales, por lo que la falta de detección del fondo excluye un valor más bajo de la constante de Hubble.

Los investigadores denominaron a este nuevo método «método de la sirena estocástica», señalando que las colisiones que componen el fondo de ondas gravitacionales ocurren de forma estocástica.

El equipo aplicó su método de la sirena estocástica a los datos actuales de la Colaboración LVK. Como prueba de principio, descubrieron que la no detección del fondo de ondas gravitacionales podía proporcionar evidencia contra las tasas de expansión lentas del universo. Posteriormente, combinaron el método de la sirena estocástica con mediciones de la constante de Hubble a partir de colisiones individuales de agujeros negros para obtener una medición más precisa de la tasa de expansión. Esto demuestra que el nuevo método de ondas gravitacionales del equipo es viable y desplaza el valor medido de la constante de Hubble hacia la región de tensión de Hubble.

A medida que aumenta la sensibilidad del detector de ondas gravitacionales, el método del equipo puede utilizarse para mejorar aún más las mediciones de la constante de Hubble. Se espera detectar el fondo de ondas gravitacionales en los próximos seis años. Hasta entonces, el método de la sirena estocástica limitaría valores cada vez más altos de la constante de Hubble a medida que mejoran los límites superiores del fondo, lo que proporcionaría otra prueba de la tensión de Hubble incluso sin una detección completa.

«Esto debería allanar el camino para la aplicación de este método en el futuro a medida que continuamos aumentando la sensibilidad, restringiendo mejor el fondo de ondas gravitacionales e incluso quizás detectándolo», afirma Cousins. «Al incluir esta información, esperamos obtener mejores resultados cosmológicos y estar más cerca de resolver la tensión de Hubble».

Con información de Physical Review Letters