Cuando dos agujeros negros se fusionan, liberan ondas gravitacionales que, cuando son captadas por objetos masivos en su camino a la Tierra, pueden usarse para calcular la tasa de expansión cósmica. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard NASA/Scott Noble; datos de simulación, d’Ascoli et al. 2018
El universo se está expandiendo; hemos tenido evidencia de esto durante aproximadamente un siglo. Pero la rapidez con la que los cuerpos celestes se alejan unos de otros sigue siendo un tema de debate.
Medir la velocidad a la que los objetos se alejan unos de otros en grandes distancias no es tarea fácil. Desde el descubrimiento de la expansión cósmica, su tasa se ha medido y vuelto a medir con una precisión cada vez mayor, con algunos valores recientes que oscilan entre 67,4 y 76,5 kilómetros por segundo por megaparsec, lo que relaciona la tasa de recesión (en kilómetros por segundo) con distancia (en megaparsecs).
La discrepancia entre las diferentes mediciones de la expansión cósmica se denomina “voltaje de Hubble”. Algunos la han llamado la crisis de la cosmología. Pero para el astrofísico teórico de la Universidad de California en Santa Bárbara, Tejaswi Venumadhava Nerelli, y sus colegas del Instituto Tata de Investigación Fundamental en Bangalore, India, y el Centro Intercolegial de Astronomía y Astrofísica en Pune, India, es un momento emocionante.
Desde la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, los detectores han mejorado mucho y están preparados para generar grandes cantidades de señales en los próximos años. Nerella y sus colegas han desarrollado un método para usar estas señales para medir la expansión del universo y pueden ayudar a resolver el debate de una vez por todas. “El principal objetivo científico de los futuros detectores es proporcionar un catálogo completo de eventos de ondas gravitacionales, y este será un uso completamente nuevo del extraordinario conjunto de datos”, dijo Nerella, coautor del artículo publicado en la revista. Cartas de inspección física.
Las medidas de la tasa de expansión cósmica se reducen a la velocidad y la distancia. Los astrónomos usan dos tipos de métodos para medir distancias: el primero comienza con objetos de longitud conocida (“reglas estándar”) y ve qué tan grandes aparecen en el cielo. Estos “objetos” son características de la radiación cósmica de fondo o distribución de galaxias en el universo.
La segunda clase de métodos comienza con objetos de brillo conocido (“velas estándar”) y mide sus distancias a la Tierra en función de su brillo aparente. Estas distancias están relacionadas con las distancias a objetos más brillantes que se encuentran más lejos, y así sucesivamente, creando una cadena de patrones de medición que a menudo se conoce como la “escalera de distancia cósmica”. Por cierto, las propias ondas gravitacionales también pueden ayudar a medir la expansión cósmica, ya que la energía liberada por la colisión de estrellas de neutrones o agujeros negros se puede utilizar para estimar la distancia a estos objetos.
Los objetos masivos, como las galaxias, pueden desviar las ondas gravitacionales de los agujeros negros que se fusionan, creando múltiples copias de la misma señal que llegan a la Tierra en diferentes momentos. Este retraso entre las señales se puede utilizar para calcular la expansión cósmica. Fuente: A. Anugraha, ICTS
El método propuesto por Nerella y sus coautores pertenece a la segunda clase, pero utiliza lentes gravitacionales. Este es un fenómeno que ocurre cuando los objetos masivos doblan el espacio-tiempo y doblan todo tipo de ondas que viajan cerca de los objetos. En casos raros, la lente puede producir múltiples copias de la misma señal de onda gravitacional que llega a la Tierra en diferentes momentos; según los investigadores, los retrasos entre las señales para una población de múltiples eventos fotografiados se pueden usar para calcular la tasa de expansión del universo.
“Entendemos muy bien cuán sensibles son los detectores de ondas gravitacionales y no hay fuentes astrofísicas de confusión, por lo que podemos explicar adecuadamente lo que sucede en nuestro catálogo de eventos”, dijo Nerella. “El nuevo método tiene fuentes de error que complementan los métodos existentes, lo que lo convierte en un buen discriminador”.
La fuente de estas señales serían los agujeros negros binarios: sistemas de dos agujeros negros que se orbitan entre sí y finalmente se fusionan, liberando enormes cantidades de energía en forma de ondas gravitacionales. Todavía no hemos detectado ejemplos de estas señales con lentes muy altas, pero se espera que la próxima generación de detectores terrestres tenga el nivel de sensibilidad necesario.
“Esperamos las primeras observaciones de ondas gravitacionales con lentes en los próximos años”, dijo el coautor del estudio Parameswaran Ajith. Además, estos futuros detectores deberían poder ver más lejos en el espacio y detectar señales más débiles.
Los autores esperan que estos detectores avanzados comiencen a buscar agujeros negros fusionados en la próxima década. Anticipan registrar señales de varios millones de pares de agujeros negros, de los cuales una pequeña fracción (alrededor de 10.000) aparecerá varias veces en el mismo detector debido a la lente gravitatoria. La distribución de retrasos entre estas apariciones repetidas codifica la tasa de expansión de Hubble.
Según el autor principal, Souvik Jana, a diferencia de otros métodos de medición, este método no se basa en conocer la ubicación exacta o la distancia a estos agujeros negros binarios. El único requisito es identificar con precisión un número suficientemente grande de estas señales con lentes. Los investigadores agregan que las observaciones de las ondas gravitacionales con lentes pueden incluso proporcionar pistas sobre otros problemas cosmológicos, como la naturaleza de la materia oscura invisible, que constituye una gran proporción de la energía del universo.
Proporcionado por la Universidad de California – Santa Bárbara