Un suave murmullo cósmico podría resolver el misterio de la expansión del universo

Durante décadas, los astrónomos han sabido que el universo está en expansión. Para determinar la velocidad de este crecimiento, se calcula un valor conocido como la constante de Hubble. Sin embargo, múltiples técnicas independientes para medirla han generado resultados contradictorios, creando lo que se conoce como la tensión de Hubble, uno de los problemas más importantes y no resueltos de la cosmología moderna.

Un grupo de astrofísicos y cosmólogos de la Grainger College of Engineering de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y de la Universidad de Chicago presentó un nuevo enfoque para calcular la constante de Hubble mediante el uso de ondas gravitacionales, pequeñas perturbaciones en el espacio-tiempo generadas por la colisión de agujeros negros. Este método mejora la precisión de las técnicas anteriores basadas en ondas gravitacionales y, a medida que los detectores se vuelven más sensibles, se espera que proporcione mediciones aún más precisas, ayudando a cerrar la brecha en torno a la tensión de Hubble.

El profesor de física de Illinois, Nicolás Yunes, destacó la importancia de obtener una medición independiente de la constante de Hubble para resolver la actual tensión. "Nuestro método es una forma innovadora de mejorar la precisión de las inferencias sobre la constante de Hubble usando ondas gravitacionales", afirmó Yunes, quien es también el director fundador del Illinois Center for Advanced Studies of the Universe (ICASU).

El profesor de física y astronomía de la Universidad de Chicago, Daniel Holz, quien es coautor de la investigación, expresó que no es común desarrollar una herramienta completamente nueva para la cosmología. "Mostramos que al utilizar el murmullo gravitacional de fondo de agujeros negros que se fusionan en galaxias distantes, podemos aprender sobre la edad y composición del universo. Esta es una dirección emocionante y completamente nueva", afirmó Holz.

El equipo de investigación también incluye a Bryce Cousins, estudiante de posgrado en física de Illinois y autor principal del estudio; Kristen Schumacher, también estudiante de posgrado; Ka-wai Adrian Chung, investigador postdoctoral; y los investigadores postdoctorales de la Universidad de Chicago, Colm Talbot y Thomas Callister. Los hallazgos han sido aceptados para su publicación en Physical Review Letters y aparecerán en la edición del 11 de marzo. El artículo completo ya está disponible en arXiv.

Cómo miden los científicos la expansión del universo

Desde principios del siglo XX, los investigadores han utilizado dos estrategias principales para medir la expansión cósmica. Un enfoque se basa en observaciones electromagnéticas, mientras que el otro utiliza ondas gravitacionales. Un método electromagnético conocido involucra "velas estándar", como las supernovas, que son explosiones estelares poderosas. Al conocer su brillo real, los astrónomos pueden calcular tanto su distancia a la Tierra como la velocidad a la que se alejan, lo que revela la tasa de expansión del universo.

En años recientes, las ondas gravitacionales han abierto un nuevo camino. Estas ondas se producen cuando objetos extremadamente densos, como agujeros negros, colisionan. Las perturbaciones viajan a través del espacio a la velocidad de la luz, similar a las ondas circulares que se propagan en el agua al caer una piedra en un estanque. En la Tierra, la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), que cuenta con más de 2,000 miembros, detecta estas señales.

Las ondas gravitacionales también se pueden utilizar para estimar distancias a través del método conocido como "sirena estándar". Sin embargo, medir la velocidad a la que la fuente se aleja debido a la expansión cósmica es más complicado. Para medir esa velocidad, los astrónomos suelen necesitar detectar la luz de la fusión o identificar la galaxia donde ocurrió.

Idealmente, todas estas técnicas deberían apuntar a la misma constante de Hubble, pero en realidad, no coinciden. Si la tensión persiste, podría indicar que los científicos necesitan revisar su comprensión del universo temprano. Las explicaciones propuestas incluyen energía oscura temprana, interacciones entre materia oscura y neutrinos, o cambios en el comportamiento de la energía oscura a lo largo del tiempo.

Un nuevo método de fondo de ondas gravitacionales

En su último trabajo, Yunes, Cousins y sus colegas describieron un nuevo enfoque para estimar la constante de Hubble al estudiar colisiones de agujeros negros que los detectores actuales no pueden captar individualmente. Juntos, estos incontables eventos débiles crean lo que se llama el fondo de ondas gravitacionales.

"Al observar colisiones individuales de agujeros negros, podemos determinar las tasas de esas colisiones que ocurren en todo el universo. Basándonos en esas tasas, esperamos que haya muchos más eventos que no podemos observar, lo que se conoce como el fondo de ondas gravitacionales", explicó Cousins.

El equipo demostró que si la constante de Hubble fuera más baja, el volumen total observable del universo también sería más pequeño. Eso significaría que las colisiones de agujeros negros estarían más concentradas, aumentando la fuerza general del fondo de ondas gravitacionales. Si esta señal de fondo no se detecta a un cierto nivel, se descartan tasas de expansión más lentas.

Los investigadores denominaron a su enfoque el método de sirena estocástica, reflejando la naturaleza aleatoria de las colisiones que contribuyen al fondo de ondas gravitacionales.

Usando los datos actuales de LVK, el equipo probó su método. Incluso sin detectar directamente el fondo de ondas gravitacionales, lograron descartar tasas de expansión particularmente lentas. Al combinar el método de sirena estocástica con mediciones existentes de fusiones individuales de agujeros negros, lograron una estimación más precisa de la constante de Hubble. Su resultado se encuentra dentro del rango asociado con la tensión de Hubble, mostrando el potencial del método para afinar futuras mediciones.

A medida que los observatorios de ondas gravitacionales mejoren, se espera que esta estrategia se vuelva aún más poderosa. Los científicos anticipan que el fondo de ondas gravitacionales sea detectado en aproximadamente seis años. Hasta entonces, los límites cada vez más estrictos sobre la señal de fondo continuarán reduciendo el rango posible de la constante de Hubble.

"Esto debería allanar el camino para aplicar este método en el futuro a medida que continuemos aumentando la sensibilidad, restringir mejor el fondo de ondas gravitacionales y tal vez incluso detectarlo", concluyó Cousins. "Al incluir esa información, esperamos obtener mejores resultados cosmológicos y estar más cerca de resolver la tensión de Hubble."

Apoyo a la investigación y recursos computacionales

El análisis se apoyó en el Illinois Campus Cluster, operado por el Programa de Clústeres de Illinois en asociación con el National Center for Supercomputing Applications. La financiación provino del NSF Graduate Research Fellowship Program bajo el Grant No. DGE 21-46756 y el Grant No. DGE-1746047, así como de la NSF bajo los premios PHY-2207650, PHY-2207650 y PHY2110507. Se proporcionó apoyo adicional por parte de la Simons Foundation a través del Award No. 896696 y de NASA mediante el Grant No. 80NSSC22K0806. También se recibió apoyo de la Eric and Wendy Schmidt AI in Science Postdoctoral Fellowship y del Kavli Institute for Cosmological Physics a través de un fondo de la Kavli Foundation y su fundador Fred Kavli. Los hallazgos presentados son de los investigadores y no necesariamente reflejan los de las agencias de financiación.