Astrofísicos proponen una nueva forma de medir la expansión cósmica: ondas gravitacionales alineadas.

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por Sonia Fernandez, Universidad de California - Santa Bárbara

El universo se está expandiendo; hemos tenido evidencia de eso durante aproximadamente un siglo. Pero aún se debate a qué velocidad los objetos celestes se alejan entre sí.

No es una tarea fácil medir la velocidad a la que los objetos se alejan entre sí a través de grandes distancias. Desde el descubrimiento de la expansión cósmica, su velocidad se ha medido y vuelto a medir con una precisión cada vez mayor, con algunos de los últimos valores que van desde 67.4 hasta 76.5 kilómetros por segundo por megapársec, que relaciona la velocidad de recesión (en kilómetros por segundo) con la distancia (en megapársecs).

La discrepancia entre las diferentes mediciones de la expansión cósmica se llama "tensión de Hubble". Algunos lo han llamado una crisis en la cosmología. Pero para el astrofísico Tejaswi Venumadhav Nerella de la UC Santa Bárbara y sus colegas en el Tata Institute of Fundamental Research en Bangalore, India, y el Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics en Pune, India, es un momento emocionante.

Desde la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, los detectores han mejorado significativamente y están listos para proporcionar una rica cantidad de señales en los próximos años. Nerella y sus colegas han ideado un método para utilizar estas señales para medir la expansión del universo y quizás ayudar a resolver el debate de una vez por todas. "Un objetivo científico importante de los detectores futuros es entregar un catálogo completo de eventos de ondas gravitacionales, y esto será un uso completamente novedoso del conjunto de datos notable", dijo Nerella, coautor de un artículo publicado en Physical Review Letters.

Las mediciones de la velocidad de expansión cósmica se reducen a la velocidad y la distancia. Los astrónomos utilizan dos tipos de métodos para medir distancias: los primeros comienzan con objetos de longitud conocida ("reglas estándar") y observan qué tan grandes aparecen en el cielo. Estos "objetos" son características de la radiación de fondo cósmico o de la distribución de galaxias en el universo.

Una segunda clase de métodos comienza con objetos de luminosidad conocida ("candelas estándar") y mide sus distancias desde la Tierra utilizando su brillo aparente. Estas distancias están conectadas con las de objetos brillantes más lejanos y así sucesivamente, lo que construye una cadena de esquemas de medición que a menudo se llama "escalera cósmica de distancias". Curiosamente, 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.

El método propuesto por Nerella y sus coautores pertenece a la segunda clase, pero utiliza la lente gravitacional. Este es un fenómeno que ocurre cuando objetos masivos deforman el espacio-tiempo y doblan las ondas de todo tipo que viajan cerca de los objetos. En casos raros, la lente puede producir copias múltiples de la misma señal de ondas gravitacionales que llegan a la Tierra en diferentes momentos; los retrasos entre las señales de una población de eventos con múltiples imágenes se pueden utilizar para calcular la velocidad de expansión del universo, según los investigadores.

"Entendemos muy bien lo sensibles que son los detectores de ondas gravitacionales, y no hay fuentes astrofísicas de confusión, por lo que podemos tener en cuenta adecuadamente lo que se incluye en nuestro catálogo de eventos", dijo Nerella. "El nuevo método tiene fuentes de error complementarias a las de los métodos existentes, lo que lo convierte en un buen discriminador".

Las fuentes de estas señales serían agujeros negros binarios: sistemas de dos agujeros negros que orbitan entre sí y finalmente se fusionan, liberando grandes cantidades de energía en forma de ondas gravitacionales. Aún no hemos detectado ejemplos fuertemente "lenteado" de estas señales, pero se espera que la próxima generación de detectores terrestres tenga el nivel de sensibilidad necesario.

"Esperamos la primera observación de ondas gravitacionales lenteado en los próximos años", dijo el coautor del estudio Parameswaran Ajith. Además, estos detectores futuros deberían poder observar más lejos en el espacio y detectar señales más débiles.

The authors expect these advanced detectors to start their search for merging black holes in the next decade. They anticipate recording signals from a few million black hole pairs, a small fraction (about 10,000) of which will appear multiple times in the same detector due to gravitational lensing. The distribution of the delays between these repeat appearances encodes the Hubble expansion rate.

According to lead author Souvik Jana, unlike other methods of measurement, this method does not rely on knowing the exact locations of, or the distances to, these binary black holes. The only requirement is to accurately identify a sufficiently large number of these lensed signals. The researchers add that observations of lensed gravitational waves can even provide clues on other cosmological questions, such as the nature of the invisible dark matter that makes up much of the energy content of the universe.