Un equipo de científicos dice que es posible utilizar pequeñas ondas en el espacio y el tiempo, u ondas gravitacionales, para medir la velocidad a la que nuestro universo se expande. Esto podría resolver uno de los mayores misterios de la física actual: una disparidad en el cálculo de esta tasa conocida como “tensión de Hubble”.
Los científicos saben desde 1998 que no sólo el universo se está expandiendo, sino también que la tasa de expansión se está acelerando. “Energía oscura” se introdujo como nombre provisional para la misteriosa fuerza que impulsa esta aceleración, pero hay una cuestión pendiente en torno a la tasa de expansión del universo en general, incluso después de más de dos décadas y media de investigación.
Una parte clave para medir la tasa de expansión de nuestro universo es la constante de Hubble. La llamada “tensión de Hubble” surge del hecho de que cuando se mide la constante de Hubble a partir del universo local y actual, utilizando supernovas de tipo 1a para sus mediciones, se obtiene un valor. Sin embargo, cuando comienzas el cálculo a partir del cosmos antiguo y distante (y utilizas un marco importante en física llamado modelo estándar de cosmología para medir la respuesta), obtienes otro valor. Por eso, los científicos llevan mucho tiempo buscando una tercera forma de medir la constante de Hubble como forma adicional de comprobar su verdadero valor. Y ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y la Universidad de Chicago cree que la respuesta está en las ondas gravitacionales.
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“Este resultado es muy significativo: es importante obtener una medición independiente de la constante de Hubble para resolver la tensión actual del Hubble”, dijo en un comunicado el líder del equipo, Nicolas Yunes, director fundador del Centro de Estudios Avanzados del Universo (ICASU) de Urbana en Illinois. “Nuestro método es una forma innovadora de mejorar la precisión de las inferencias constantes de Hubble utilizando ondas gravitacionales”.
¿Por qué ondas gravitacionales?
La historia de las ondas gravitacionales comienza en 1915 con la teoría de la gravedad de Albert Einstein, conocida como relatividad general. La relatividad general sugiere que los objetos con masa hacen que la estructura misma del espacio-tiempo (la unificación cuatridimensional del espacio y el tiempo) se deforme. Lo que experimentamos como gravedad surge de esta deformación; cuanto mayor es la masa, mayor es la curvatura y más fuerte es el efecto gravitacional.
Sin embargo, la relatividad general también predice que cuando los objetos se aceleran en el espacio-tiempo, esto genera ondas que se irradian hacia afuera a la velocidad de la luz. Se llaman ondas gravitacionales. La humanidad realizó la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, gracias al Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) en EE.UU. Las ondas detectadas provinieron de la colisión y fusión de dos agujeros negros masivos ubicados a unos 1.300 millones de años luz de distancia. Desde entonces, junto con sus compañeros detectores Virgo y el detector de ondas gravitacionales Kamioka (KAGRA) en Italia y Japón, respectivamente, LIGO ha detectado ondas gravitacionales de muchas fusiones entre pares de agujeros negros, pares de estrellas de neutrones ultradensas e incluso una fusión mixta entre un agujero negro y una estrella de neutrones.
Las ondas gravitacionales se han propuesto antes como una forma de medir la constante de Hubble, pero el problema ha sido que la precisión no ha estado ahí. Este equipo cree que su novedoso enfoque tiene esa precisión y dice que sólo aumentará a medida que nuestros detectores de ondas gravitacionales se vuelvan más sensibles.
“No todos los días se nos ocurre una herramienta completamente nueva para la cosmología. Demostramos que utilizando 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”, dijo Daniel Holz de la Universidad de Chicago. “Esta es una dirección emocionante y completamente nueva, y esperamos aplicar nuestros métodos a conjuntos de datos futuros para ayudar a limitar la constante de Hubble, así como otras cantidades cosmológicas clave”.
Para utilizar ondas gravitacionales para medir la constante de Hubble, los científicos necesitan medir la velocidad a la que los eventos que lanzan las ondas se alejan de nosotros, no solo estimar la distancia a dichos eventos. Eso requiere que los astrónomos rastreen la luz, o más precisamente, la radiación electromagnética, de estos eventos o incluso de las galaxias que los albergan.
Comparando estas dos formas de astronomía, unificadas en la llamada “astronomía de múltiples mensajeros”, los científicos pueden obtener dos valores para la constante de Hubble: uno solo con radiación electromagnética y otro con radiación electromagnética y ondas gravitacionales. Si estas técnicas no concuerdan, la tensión de Hubble persiste y los científicos saben que hay algo diferente entre el universo primitivo y el universo moderno que actualmente no se tiene en cuenta.
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Lo que el equipo propone utilizar en la técnica que llaman método de sirena estocástica son ondas gravitacionales de fondo. Esto puede considerarse como el zumbido de fondo del universo procedente de una serie de eventos de colisión más distantes que subyacen a esa orquesta de fusiones de agujeros negros masivos relativamente cercanos.
“Debido a que estamos observando colisiones de agujeros negros individuales, podemos determinar las tasas de esas colisiones que ocurren en todo el universo”, dijo Cousins. “Basándonos en esas tasas, esperamos que haya muchos más eventos que no podemos observar, lo que se llama fondo de ondas gravitacionales”.
Cousins y sus colegas razonan que para valores más bajos de la constante de Hubble, hay un menor volumen de espacio disponible para que ocurran colisiones, lo que resulta en una mayor densidad de colisiones y, por lo tanto, una señal de fondo de ondas gravitacionales más fuerte. Entonces, si ese fondo no se puede detectar, eso indica una constante de Hubble más alta.
Aunque el conglomerado LIGO-Virgo-KAGRA aún no es sensible para detectar el fondo de ondas gravitacionales, el equipo aún pudo aplicar el método de sirena estocástica a los datos recopilados por estos detectores. Descubrieron que esto implicaba valores más altos de la constante de Hubble y, por tanto, una tasa de expansión universal más rápida.
Eso fue sólo una prueba de concepto para el equipo; El método de la sirena estocástica realmente podría cobrar fuerza en los próximos seis años, a medida que aumente la sensibilidad y los científicos puedan endurecer las limitaciones de la constante de Hubble. Después de este período, los detectores de ondas gravitacionales deberían ser lo suficientemente sensibles como para “escuchar” gran parte del fondo de ondas gravitacionales, y este método podría haberse desarrollado lo suficiente como para proporcionar una medida independiente de la constante de Hubble, potencialmente poniendo fin a la tensión de Hubble.
“Esto debería allanar el camino para la aplicación de este método en el futuro a medida que sigamos aumentando la sensibilidad, limitemos mejor el fondo de ondas gravitacionales y tal vez incluso lo detectemos”, dijo Cousins. “Al incluir esa información, esperamos obtener mejores resultados cosmológicos y estar más cerca de resolver la tensión del Hubble”.
La investigación del equipo aparece en la edición del 11 de marzo de la revista Physical Review Letters.