Desde que explotó por primera vez hace 13.800 millones de años, el universo se ha ido expandiendo, arrastrando consigo cientos de miles de millones de galaxias y estrellas, muy parecido a las 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 qué tan rápido se alejan de nosotros, dos parámetros que son esenciales para estimar la constante de Hubble. una unidad de medida que describe la velocidad a la que se expande el universo.

Pero hasta la fecha los esfuerzos más precisos han aterrizado en valores muy diferentes de la constante de Hubble, no ofrece una resolución definitiva sobre exactamente qué tan rápido está creciendo el universo. Esta informacion, los científicos creen, podría arrojar luz sobre los orígenes del universo, así como su destino, y si el cosmos se expandirá indefinidamente o finalmente colapsará.

Ahora, científicos del MIT y la Universidad de Harvard han propuesto una forma más precisa e independiente de medir la constante de Hubble, utilizando ondas gravitacionales emitidas por un sistema relativamente raro:un binario agujero negro-estrella de neutrones, un emparejamiento enormemente enérgico de un agujero negro en espiral y una estrella de neutrones. A medida que estos objetos giran uno hacia el otro, deberían producir ondas gravitacionales que sacuden el espacio y un destello de luz cuando finalmente chocan.

En un artículo que se publicará el 12 de julio en Cartas de revisión física , los investigadores informan que el destello de luz daría a los científicos una estimación de la velocidad del sistema, o qué tan rápido se aleja de la Tierra. Las ondas gravitacionales emitidas, si se detecta en la Tierra, debe proporcionar una medición independiente y precisa de la distancia del sistema. Aunque las binarias de estrellas de neutrones y agujero negro son increíblemente raras, los investigadores calculan que detectar incluso unos pocos debería producir el valor más preciso hasta ahora para la constante de Hubble y la tasa de expansión del universo.

"Las binarias agujero negro-estrella de neutrones son sistemas muy complicados, del que sabemos muy poco, "dice Salvatore Vitale, profesor asistente de física en el MIT y autor principal del artículo. "Si detectamos uno, el premio es que potencialmente pueden dar una contribución dramática a nuestra comprensión del universo ".

El coautor de Vitale es Hsin-Yu Chen de Harvard.

Constantes en competencia

Recientemente se realizaron dos mediciones independientes de la constante de Hubble, uno usando el telescopio espacial Hubble de la NASA y otro usando el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea. La medición del telescopio espacial Hubble se basa en observaciones de un tipo de estrella conocida como variable cefeida, así como en observaciones de supernovas. Ambos objetos se consideran "velas estándar, "por su patrón predecible de brillo, que los científicos pueden utilizar para estimar la distancia y la velocidad de la estrella.

El otro tipo de estimación se basa en observaciones de las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas:la radiación electromagnética que quedó inmediatamente después del Big Bang, cuando el universo estaba todavía en su infancia. Si bien las observaciones de ambas sondas son extremadamente precisas, sus estimaciones de la constante de Hubble discrepan significativamente.

"Ahí es donde entra LIGO en el juego, "Dice Vitale.

LIGO, o el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser, detecta ondas gravitacionales:ondas en la gelatina del espacio-tiempo, producido por fenómenos astrofísicos cataclísmicos.

"Las ondas gravitacionales proporcionan una forma muy directa y sencilla de medir las distancias de sus fuentes, "Dice Vitale." Lo que detectamos con LIGO es una impresión directa de la distancia a la fuente, sin ningún análisis adicional ".

En 2017, los científicos tuvieron su primera oportunidad de estimar la constante de Hubble a partir de una fuente de ondas gravitacionales, cuando LIGO y su homólogo italiano Virgo detectaron por primera vez un par de estrellas de neutrones en colisión. La colisión liberó una gran cantidad de ondas gravitacionales, que los investigadores midieron para determinar la distancia del sistema a la Tierra. La fusión también lanzó un destello de luz, que los astrónomos enfocaron con telescopios terrestres y espaciales para determinar la velocidad del sistema.

Con ambas medidas, Los científicos calcularon un nuevo valor para la constante de Hubble. Sin embargo, la estimación vino con una incertidumbre relativamente grande del 14 por ciento, mucho más incierto que los valores calculados con el telescopio espacial Hubble y el satélite Planck.

Vitale dice que gran parte de la incertidumbre se debe al hecho de que puede ser un desafío interpretar la distancia de una estrella de neutrones binaria a la Tierra utilizando las ondas gravitacionales que emite este sistema en particular.

"Medimos la distancia observando qué tan 'fuerte' es la onda gravitacional, es decir, qué tan claro está en nuestros datos, "Dice Vitale." Si está muy claro, puedes ver lo fuerte que es y eso da la distancia. Pero eso es sólo parcialmente cierto para las binarias de estrellas de neutrones ".

Eso es porque estos sistemas, que crean un disco giratorio de energía cuando dos estrellas de neutrones se mueven en espiral una hacia la otra, emiten ondas gravitacionales de forma desigual. La mayoría de las ondas gravitacionales se disparan directamente desde el centro del disco, mientras que una fracción mucho más pequeña se escapa por los bordes. Si los científicos detectan una señal de onda gravitacional "fuerte", podría indicar uno de dos escenarios:las ondas detectadas provienen del borde de un sistema que está muy cerca de la Tierra, o las ondas emanaron del centro de un sistema mucho más lejano.

"Con binarios de estrellas de neutrones, es muy difícil distinguir entre estas dos situaciones, "Dice Vitale.

Una nueva ola

En 2014, antes de que LIGO hiciera la primera detección de ondas gravitacionales, Vitale y sus colegas observaron que un sistema binario compuesto por un agujero negro y una estrella de neutrones podría dar una medición de distancia más precisa. en comparación con los binarios de estrellas de neutrones. El equipo estaba investigando con qué precisión se podía medir el giro de un agujero negro, dado que se sabe que los objetos giran sobre sus ejes, de manera similar a la Tierra pero mucho más rápido.

Los investigadores simularon una variedad de sistemas con agujeros negros, incluidas las binarias de estrella de neutrones y agujero negro y las binarias de estrella de neutrones. Como subproducto de este esfuerzo, el equipo notó que podían determinar con mayor precisión la distancia de las binarias de estrellas de neutrones y agujero negro, en comparación con los binarios de estrellas de neutrones. Vitale dice que esto se debe al giro del agujero negro alrededor de la estrella de neutrones, lo que puede ayudar a los científicos a identificar mejor de qué parte del sistema emanan las ondas gravitacionales.

"Debido a esta mejor medición de la distancia, Pensé que las binarias agujero negro-estrella de neutrones podrían ser una sonda competitiva para medir la constante de Hubble, "Dice Vitale". Desde entonces, Han pasado muchas cosas con LIGO y el descubrimiento de ondas gravitacionales, y todo esto fue dejado en un segundo plano ".

Vitale recientemente regresó a su observación original, y en este nuevo artículo, se propuso responder a una pregunta teórica:

"¿Es el hecho de que cada binario agujero negro-estrella de neutrones me dará una mejor distancia para compensar el hecho de que potencialmente, ¿Hay muchos menos de ellos en el universo que binarios de estrellas de neutrones? ”, dice Vitale.

Para responder a esta pregunta, el equipo realizó simulaciones para predecir la ocurrencia de ambos tipos de sistemas binarios en el universo, así como la precisión de sus mediciones de distancia. De sus cálculos, llegaron a la conclusión de que, incluso si los sistemas binarios de neutrones superaran en número a los sistemas de estrellas de neutrones y agujeros negros en 50-1, el último produciría una constante de Hubble similar en precisión al primero.

De manera más optimista, si las binarias agujero negro-estrella de neutrones fueran un poco más comunes, pero aún más raro que los binarios de estrellas de neutrones, el primero produciría una constante de Hubble cuatro veces más precisa.

"Hasta aquí, la gente se ha centrado en las estrellas de neutrones binarios como una forma de medir la constante de Hubble con ondas gravitacionales, "Dice Vitale." Hemos demostrado que hay otro tipo de fuente de ondas gravitacionales que hasta ahora no se ha explotado tanto:los agujeros negros y las estrellas de neutrones que giran juntas en espiral. "Dice Vitale." LIGO comenzará a tomar datos nuevamente en enero de 2019, y será mucho más sensible, lo que significa que podremos ver objetos más lejos. Entonces LIGO debería ver al menos un binario de estrella de neutrones-agujero negro, y hasta 25, lo que ayudará a resolver la tensión existente en la medición de la constante de Hubble, con suerte en los próximos años ".