Científicos de ondas gravitacionales proponen un nuevo método para refinar la constante de Hubble: expansión y envejecimiento del universo

Ilustración del artista de un par de estrellas de neutrones fusionadas. Fuente: Carl Knox, Universidad OzGrav-Swinburne

Un equipo de científicos internacionales, liderado por el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE) y el Centro de Excelencia ARC para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav), propuso un método simple e innovador para reducir la precisión de las mediciones constantes del Hubble al 2%. en una sola observación de un par de neutrones de estrellas fusionadas.

El universo se expande constantemente. Es por esta razón que los objetos distantes como las galaxias se están alejando de nosotros. De hecho, cuanto más lejos están, más rápido se mueven. Los científicos describen esta expansión con un número famoso conocido como la constante de Hubble, que nos dice qué tan rápido los objetos en el universo se alejan de nosotros dependiendo de su distancia de nosotros. Al medir cuidadosamente la constante de Hubble, también podemos determinar algunas de las propiedades más fundamentales del universo, incluida su edad.

Durante décadas, los científicos han medido la constante de Hubble con una precisión cada vez mayor, recolectando señales electromagnéticas emitidas en todo el universo, pero con un resultado difícil: las dos mejores mediciones de hoy arrojan resultados inconsistentes. Desde 2015, los científicos intentan afrontar este desafío gracias a la ciencia de las ondas gravitacionales, las ondas en la estructura del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales se generan durante los eventos cósmicos más violentos y proporcionan un nuevo canal de información sobre el universo. Se emiten cuando dos estrellas de neutrones, los densos núcleos de las estrellas colapsadas, chocan y podrían ayudar a los científicos a explorar el misterio permanente del Hubble.

A diferencia de los agujeros negros, las estrellas de neutrones fusionadas producen ondas gravitacionales y electromagnéticas, como rayos X, ondas de radio y luz visible. Mientras que las ondas gravitacionales pueden medir la distancia entre las estrellas de neutrones que se fusionan y la Tierra, las ondas electromagnéticas pueden medir qué tan rápido se aleja una galaxia entera de la Tierra. Esto crea una nueva forma de medir la constante de Hubble. Sin embargo, incluso con ondas gravitacionales, sigue siendo difícil medir la distancia a las conexiones de estrellas de neutrones; en parte, esta es la razón por la que las mediciones actuales de ondas gravitacionales del Hubble tienen una incertidumbre de ~ 16%, mucho mayor que las mediciones existentes utilizando otras técnicas tradicionales.

En un artículo publicado recientemente en Cartas de revistas astrofísicas, un equipo de científicos dirigido por el Centro de Excelencia ARC para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav) y exalumnos de la Universidad de Monash, el prof. Compostela, España) propuso un método simple e innovador para reducir la precisión de estas mediciones al 2% mediante una sola observación de un par de estrellas de neutrones fusionadas.

Según el prof. Calderón Bustillo, es difícil interpretar hasta dónde se extienden estas conexiones, porque “en la actualidad no podemos decir si el binario está muy lejos y mirando hacia la Tierra, o si está mucho más cerca, con la Tierra en el plano de su órbita. «Para elegir entre estos dos escenarios, el equipo propuso estudiar los componentes secundarios, mucho más débiles, de las señales de ondas gravitacionales emitidas por las uniones de estrellas de neutrones, llamadas modos superiores.

«Así como una orquesta toca diferentes instrumentos, la fusión de estrellas de neutrones emite ondas gravitacionales en diferentes modos», explica el Prof. Calderón Bustillo. “Cuando las estrellas de neutrones fusionadas apuntan hacia ti, solo escuchas el instrumento más fuerte. Sin embargo, si está cerca del plano de la órbita de fusión, también debería escuchar los secundarios. Esto nos permite determinar la inclinación de la conexión de la estrella de neutrones y medir mejor la distancia ”.

Sin embargo, el método no es completamente nuevo: “Sabemos que esto funciona bien para uniones de agujeros negros muy masivos, porque nuestros detectores actuales pueden registrar la unión cuando los modos superiores son más visibles. Pero en el caso de las estrellas de neutrones, la altura de la señal de la conexión es tan alta que nuestros detectores no pueden registrarla. Solo podemos registrar órbitas anteriores «- dice el Prof. Calderón Bustillo.

Los futuros detectores de ondas gravitacionales, como el propuesto proyecto australiano NEMO, tendrán acceso a la etapa real de fusión de estrellas de neutrones. «Cuando dos estrellas de neutrones se unen, la física nuclear que gobierna su materia puede producir señales muy ricas que, si se detectan, nos permitirán saber exactamente dónde está la Tierra en relación con el plano de la órbita de fusión», dice el coautor y líder de OzGrav. Investigador Dr. Paul Lasky de la Universidad de Monash. El Dr. Lasky es también uno de los líderes del proyecto NEMO. «Un detector como NEMO podría detectar estas ricas señales», agrega.

En su investigación, el equipo realizó simulaciones por computadora de las conexiones de las estrellas de neutrones, que podrían revelar los efectos de la física nuclear de las estrellas en las ondas gravitacionales. Al estudiar estas simulaciones, el equipo descubrió que un detector como NEMO podía medir la constante de Hubble con una precisión del 2%.

Coautor del estudio, prof. Tim Dietrich, de la Universidad de Potsdam, dice: “Descubrimos que los pequeños detalles de cómo se comportan los neutrones dentro de una estrella crean sutiles firmas de ondas gravitacionales que pueden ayudar en gran medida a determinar la tasa de expansión del universo. Es fascinante ver cómo los efectos a la escala nuclear más pequeña pueden influir en lo que sucede en la escala cosmológica más grande posible ”.

Samson Leong, estudiante de pregrado de la Universidad China de Hong Kong y coautor del estudio, señala que “una de las cosas más emocionantes de nuestro resultado es que hemos logrado una gran mejora en un escenario bastante conservador. Sea sensible a la emisión de conexiones de estrellas de neutrones, detectores más avanzados como el Telescopio Einstein o el Space Explorer serán aún más sensibles, por lo que podremos medir la expansión del universo con una precisión aún mayor. «

Una de las implicaciones más destacadas de este estudio es que puede determinar si el universo se está expandiendo uniformemente en el espacio, según la presente hipótesis. «Los métodos anteriores para lograr este nivel de precisión se basan en una combinación de múltiples observaciones, asumiendo que la constante de Hubble es la misma en todas las direcciones ya lo largo de la historia del universo», dice Calderón Bustillo. «En nuestro caso, cada evento individual daría una estimación muy precisa de la ‘propia constante de Hubble’, lo que nos permite ver si realmente es una constante o si cambia con el tiempo y el espacio».

Proporcionado por el Centro de excelencia ARC para el descubrimiento de ondas gravitacionales

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