La historia de la ciencia está llena de historias de investigadores entusiastas que poco a poco se han ganado el punto de vista de colegas escépticos. El astrofísico Scott Hughes puede relacionarse con estos cuentos.

"Durante los primeros 15 o 16 años de mi carrera, estuve hablando con astrónomos, y siempre tuve la impresión de que estaban cortésmente interesados ​​en lo que tenía que decir, pero me consideró como un entusiasta de ojos desorbitados que les estaba contando sobre una manada de unicornios que mis amigos y yo estábamos criando, "dijo Hughes.

"Ahora, " él continuó, "hay gente que va, 'Oh, todos esos unicornios que encontraste, ¿Puedo usarlos para resolver mi problema? ¿Tus unicornios tienen alas? ¿Son brillantes? '"

Estos unicornios son ondas gravitacionales, un área de la física en la que Hughes se especializa. Mientras trabajaba como investigadores postdoctorales en el Instituto Kavli de Física Teórica (KITP) de la UC Santa Bárbara, Hughes y su colega, Daniel Holz, fueron de los primeros en proponer el uso de los fenómenos, en combinación con observaciones basadas en telescopios, para medir la constante de Hubble, una cantidad fundamental involucrada en la descripción de la expansión del universo.

A medida que el universo se expande lleva los objetos celestes lejos de nosotros. Esto alarga la longitud de onda de la luz que detectamos de estos objetos, haciendo que disminuya en frecuencia como una sirena en una ambulancia que pasa. Cuanto más rápido se aleja el objeto, cuanto más se desvíe su luz hacia el extremo rojo del espectro. La constante de Hubble relaciona la distancia de un objeto a la Tierra con este corrimiento al rojo, y, por tanto, la velocidad del objeto a medida que se lo lleva.

Una de las mejores herramientas de un astrónomo para calcular esto es una vela estándar, cualquier clase de objetos que siempre tengan lo mismo, brillo estándar. Si los científicos conocen el brillo de un objeto, pueden determinar su distancia midiendo qué tan tenue nos parece en la Tierra.

Durante décadas, los científicos han intentado obtener medidas precisas de la constante de Hubble para investigar por qué el universo se está expandiendo. y, De hecho, acelerador. En última instancia, esto se resuelve en medir los desplazamientos al rojo de los objetos y compararlos con medidas independientes de las distancias de los objetos de nosotros. Sin embargo, estas dos medidas más precisas que los científicos tienen actualmente para el constante desacuerdo de Hubble, una fuente inagotable de frustración para los cosmólogos.

Una propuesta

Este era el panorama cosmológico a principios de la década de 2000, cuando Holz y Hughes ocupaban puestos como investigadores postdoctorales en KITP. "Scott había estado pensando en ondas gravitacionales durante un tiempo, "dijo Holz." Él era el experto, y estaba mucho más centrado en cuestiones cosmológicas ". Pero el entusiasmo de Hughes pronto despertó la curiosidad de Holz, y los dos empezaron a hablar sobre cosmología de ondas gravitacionales en la oficina y en los paseos por los acantilados de Santa Bárbara.

Holz y Hughes atribuyen su estrecha colaboración a la construcción de la nueva ala de Kohn Hall en 2001. Inicialmente, todos los postdoctorados de KITP tenían sus propias oficinas, explicó Hughes, pero la construcción los obligó a redoblar. "De repente pasamos mucho más tiempo juntos".

Un programa KITP de 2002 sobre datos cosmológicos avivó las llamas de su interés en el tema. Cuando Hughes se fue para unirse a la facultad del MIT, habían terminado el primer borrador de su artículo detallando cómo calcular la constante de Hubble con ondas gravitacionales. Después de dos años de gestación, finalmente publicaron el estudio en The Diario astrofísico .

"Lo pasé muy bien escribiendo ese artículo con Scott, "dijo Holz." Aprendí muchísimo. Tanto que estaba convencido de que las ondas gravitacionales eran el futuro, y que debería involucrarme ".

La idea de utilizar fuentes de ondas gravitacionales para medir la constante de Hubble no era nueva. El concepto fue propuesto por primera vez en un artículo visionario en 1986 por Bernard Schutz. Y una serie de otras nociones con respecto a las ondas gravitacionales también estaban flotando en la literatura a principios de la década de 2000. Pero lo que hicieron Holz y Hughes fue sintetizar todas estas ideas y enfatizar la viabilidad de combinar datos de ondas gravitacionales con observaciones de seguimiento utilizando luz.

El estudio también fue el primero en utilizar el término "sirena estándar". Hughes recordó haber discutido el artículo con el astrofísico de Caltech Sterl Phinney, quien comentó, "Hmm. Algo así como una vela estándar, pero lo escuchas. Deberías llamarlo una sirena estándar ". Holz mantuvo de forma independiente una conversación casi idéntica con el físico Sean Carroll, un ex postdoctorado de KITP él mismo. Holz y Hughes incluyeron el término en su artículo, y se quedó. Desde entonces, la frase se ha vuelto omnipresente en la cosmología.

"El término 'sirena estándar' podría ser nuestra contribución más duradera, Scott, ", Comentó Holz." Me lo llevo, "se rió Hughes.

El uso de ondas gravitacionales para medir la constante de Hubble tiene muchas ventajas sobre otros métodos. Algunas supernovas proporcionan velas estándar decentes, "pero, como vela estándar, las supernovas no se comprenden muy bien, "dijo Holz." Lo principal que hace que las sirenas estándar sean interesantes es que se entienden desde los primeros principios, directamente de la teoría de la relatividad general ".

Cuando use velas estándar, los científicos tienen que calibrar las distancias de ciertas clases de objetos utilizando la información de otros, saltando de manera efectiva su camino hacia una medición de distancia adecuada. Los astrónomos llaman a este método una "escalera de distancia, "y los errores y la incertidumbre pueden introducirse en muchos puntos de los cálculos.

A diferencia de, Las ondas gravitacionales pueden proporcionar una medida directa de la distancia de un objeto. "Simplemente escribe las ecuaciones y resuélvelas, y luego ya terminaste, ", dijo Holz." Hemos probado la relatividad general durante cien años; realmente funciona, y dice 'aquí está lo lejos que está esa fuente'. No hay escalera de distancia no hay nada de ese jugueteo ".

Todos los primeros artículos sobre la medición de la constante de Hubble usando ondas gravitacionales eran algo especulativos, según Holz. Eran propuestas para el futuro lejano. "Ni siquiera habíamos detectado ondas gravitacionales todavía, mucho menos ondas de dos estrellas de neutrones, mucho menos con una contraparte óptica, ", dijo. Pero el interés y el entusiasmo por la técnica estaban creciendo.

Hughes recuerda que sus colegas se le acercaron después de sus charlas y le preguntaron sobre la probabilidad de observar una sirena estándar en la próxima década. El no lo sabia pero dijo que con una mejor comprensión de la contraparte óptica, probablemente podrían localizar un evento dentro de los 10-20 grados cuadrados. "Y creo que si tienes eso, cada pedazo de vidrio grande en la Tierra va a mirar ese punto en el cielo, "Hughes había dicho". Y, en el final, eso es exactamente lo que pasó ".

Y luego sucedió

El 17 de agosto 2017, menos de dos años después de detectar las primeras ondas gravitacionales, los observatorios LIGO y Virgo registraron una señal de la fusión de estrellas de neutrones. Gracias a un sistema de alerta, que Holz ayudó a establecer, Siguió una ráfaga de actividad cuando casi todos los principales observatorios terrestres y espaciales enfocaron sus miras en el evento. Los científicos recopilaron datos sobre la fusión en todas las regiones del espectro electromagnético.

"Realmente es una de esas cosas en las que, si hubiera pasado antes de jubilarme, Hubiera sido feliz ", dijo Hughes." Pero en realidad sucedió antes de que cumpliera 50 ".

Repentinamente, La cosmología de ondas gravitacionales era un campo real, y las sirenas estándar eran otra parte del juego de herramientas. "¿Pero que algo se convierta en parte del conjunto de herramientas tan rápidamente? Eso es extraordinariamente inusual, "dijo Holz.

Resulta que los cosmólogos necesitan otra herramienta, porque actualmente tienen dos valores diferentes para la constante de Hubble. Los métodos que utilizan el fondo cósmico de microondas (luz tenue que queda del Big Bang) arrojan un valor de alrededor de 68. Mientras tanto, los cálculos que utilizan supernovas de Tipo Ia, una variedad de velas estándar, arrojan un poco más de 73.

Aunque parezcan cercanos, los dos valores en realidad difieren en tres desviaciones estándar, y ambos tienen barras de error bastante ajustadas. El desacuerdo tiene cada vez más preocupados a los cosmólogos, ya que las barras de error en estos dos valores solo se vuelven más estrictas. Podría señalar un problema fundamental en nuestra comprensión del universo, y es el tema de una conferencia de KITP en julio.

Hay algunas diferencias intrínsecas entre las dos técnicas, aunque. El fondo cósmico de microondas refleja las condiciones del universo primitivo, mientras que las supernovas pintan una imagen del universo actual. "Existe la posibilidad de que haya sucedido algo muy extraño e inesperado entre los primeros y los últimos días del universo, y es por eso que estos valores no concuerdan, ", dijo Holz. Pero los cosmólogos simplemente no lo saben con certeza.

Conseguir otro El valor independiente de la constante de Hubble ayudará a aclarar este enigma. "Porque es tan limpio y tan directo, esa medida será un número muy convincente, "Holz explicó." Por lo menos, informará esta discusión, si no, resolverlo por completo ".

Holz y sus colegas, Hsin-Yu Chen y Maya Fishbach, Acabo de publicar un artículo en la revista Nature, encontrar que de 20 a 30 observaciones permitirían a los científicos calcular la constante de Hubble con una precisión del 2 por ciento, lo suficientemente apretado como para comenzar a compararlo con los dos valores del fondo de microondas cósmico y las supernovas.

Este verano, Holz está coorganizando un programa KITP sobre la nueva era de la física y la astrofísica de ondas gravitacionales, y el nuevo campo de la cosmología de sirenas estándar será un tema importante de discusión. De hecho, Holz también ayudó a organizar el programa de respuesta rápida KITP que reunió a los investigadores poco después de la primera detección de ondas gravitacionales de LIGO.

Holz y Hughes atribuyen su éxito a sus experiencias en KITP. "Mientras trabajábamos juntos en el KITP, a los dos nos entusiasmaba medir la constante de Hubble mediante ondas gravitacionales, ", dijo Holz." Y eso es exactamente de lo que se trata el KITP:reunir a diferentes personas con diferentes orígenes, revolviendo la olla y viendo qué pasa ".

Durante la última década, la carrera de Holz se ha centrado en la cosmología de sirena estándar. "Y lo asombroso es que lo hemos logrado, "Dijo." Ayudé a escribir el artículo que hizo la primera medición estándar de sirena de la historia. Esto era exactamente lo que Scott y yo habíamos planteado años antes ".

"Si los dos no hubiéramos estado en el KITP, no habría manera de que pasara una buena parte de mi vida en teleconferencias de LIGO en este momento, "dijo Holz." Pero yo no lo haría de otra manera ".