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), ha propuesto un método simple y novedoso para reducir la precisión de las mediciones de la constante de Hubble al 2% utilizando una sola observación de un par de estrellas de neutrones fusionadas.

El universo está en continua expansión. Debido a esto, los objetos distantes, como las galaxias, se alejan de nosotros. De hecho, cuanto más lejos están, cuanto más rápido se mueven. Los científicos describen esta expansión a través de un número famoso conocido como la constante de Hubble, que nos dice qué tan rápido se alejan de nosotros los objetos en el universo dependiendo de su distancia a nosotros. Midiendo la constante de Hubble de forma precisa, también podemos determinar algunas de las propiedades más fundamentales del universo, incluyendo su edad.

Por décadas, Los científicos han medido la constante de Hubble con una precisión cada vez mayor, recolectando señales electromagnéticas emitidas en todo el universo pero llegando a un resultado desafiante:las dos mejores mediciones actuales dan resultados inconsistentes. Desde 2015, Los científicos han intentado abordar este desafío con la ciencia de las ondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales se generan en los eventos cósmicos más violentos y proporcionan un nuevo canal de información sobre el universo. Se emiten durante la colisión de dos estrellas de neutrones, los densos núcleos de las estrellas colapsadas, y pueden ayudar a los científicos a profundizar en el misterio constante del Hubble.

A diferencia de los agujeros negros, la fusión de estrellas de neutrones produce ondas gravitacionales y electromagnéticas, como radiografías, ondas de radio y luz visible. Si bien las ondas gravitacionales pueden medir la distancia entre la fusión de estrellas de neutrones y la Tierra, Las ondas electromagnéticas pueden medir la rapidez con la que toda su galaxia se aleja de la Tierra. Esto crea una nueva forma de medir la constante de Hubble. Sin embargo, incluso con la ayuda de ondas gravitacionales, todavía es complicado medir la distancia a las fusiones de estrellas de neutrones, es decir, en parte, por qué las mediciones actuales basadas en ondas gravitacionales de la constante de Hubble tienen una incertidumbre de ~ 16%, mucho más grande que las medidas existentes utilizando otras técnicas tradicionales.

En un artículo publicado recientemente en Cartas de revistas astrofísicas , un equipo de científicos liderado por ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) y exalumno de la Universidad Monash Prof Juan Calderón Bustillo (ahora La Caixa Junior Leader y Marie Curie Fellow en el Instituto Gallego de Física de Altas Energías de la Universidad de Santiago de Compostela , España), ha propuesto un método simple y novedoso para reducir la precisión de estas mediciones al 2% utilizando una sola observación de un par de estrellas de neutrones fusionadas.

Según el profesor Calderón Bustillo, Es difícil interpretar qué tan lejos ocurren estas fusiones porque "actualmente, no podemos decir si el binario está muy lejos y mirando hacia la Tierra, o si esta mucho mas cerca con la Tierra en su plano orbital ". Para decidir entre estos dos escenarios, el equipo propuso estudiar secundaria, componentes mucho más débiles de las señales de ondas gravitacionales emitidas por fusiones de estrellas de neutrones, conocidos como modos superiores.

"Al igual que una orquesta toca diferentes instrumentos, Las fusiones de estrellas de neutrones emiten ondas gravitacionales a través de diferentes modos, ", explica el profesor Calderón Bustillo." Cuando las estrellas de neutrones que se fusionan te miran, solo escuchará el instrumento más fuerte. Sin embargo, si está cerca del plano orbital de la fusión, también deberías escuchar los secundarios. Esto nos permite determinar la inclinación de la fusión de estrellas de neutrones, y mida mejor la distancia ".

Sin embargo, el método no es completamente nuevo:"Sabemos que esto funciona bien para el caso de fusiones de agujeros negros muy masivas porque nuestros detectores actuales pueden registrar el instante de fusión cuando los modos superiores son más prominentes. Pero en el caso de las estrellas de neutrones, el tono de la señal de fusión es tan alto que nuestros detectores no pueden registrarlo. Solo podemos registrar las órbitas anteriores, "dice el profesor Calderón Bustillo.

Futuros detectores de ondas gravitacionales, como el proyecto australiano propuesto NEMO, podrá acceder a la etapa de fusión real de estrellas de neutrones. "Cuando dos estrellas de neutrones se fusionan, la física nuclear que gobierna su materia puede causar señales muy ricas que, si se detecta, podría permitirnos saber exactamente dónde se encuentra la Tierra con respecto al plano orbital de la fusión, "dice el coautor e investigador jefe de OzGrav, el Dr. Paul Lasky, de la Universidad de Monash. El Dr. Lasky también es uno de los líderes del proyecto NEMO. "Un detector como NEMO podría detectar estas señales ricas, " él añade.

En su estudio, El equipo realizó simulaciones por computadora de fusiones de estrellas de neutrones que pueden revelar el efecto de la física nuclear de las estrellas en las ondas gravitacionales. Estudiando estas simulaciones, el equipo determinó que un detector como NEMO podría 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 detalles finos que describen la forma en que los neutrones se comportan dentro de la estrella producen firmas sutiles en las 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 inferir lo que sucede en el cosmológico 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 interesantes de nuestro resultado es que obtuvimos una gran mejora al considerar un escenario bastante conservador. Si bien NEMO será sensible a la emisión de fusiones de estrellas de neutrones, detectores más evolucionados como el Telescopio Einstein o el Explorador Cósmico serán aún más sensibles, por lo tanto, ¡permitiéndonos medir la expansión del universo con una precisión aún mejor! "

Una de las implicaciones más destacadas de este estudio es que podría determinar si el universo se está expandiendo uniformemente en el espacio como se supone actualmente. "Los métodos anteriores para lograr este nivel de precisión se basan en la combinación de muchas observaciones, asumiendo que la constante de Hubble es la misma en todas las direcciones y a lo largo de la historia del universo, "dice Calderón Bustillo." En nuestro caso, cada evento individual produciría una estimación muy precisa de "su propia constante de Hubble, "permitiéndonos probar si esto es realmente una constante o si varía a lo largo del espacio y el tiempo".