Desde que explotó por primera vez hace 13.800 millones de años, el universo se ha estado expandiendo, arrastrando consigo cientos de miles de millones de galaxias y estrellas, como 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 están alejando de nosotros, dos parámetros que son esenciales para estimar la constante de Hubble, una unidad de medida que describe la velocidad aque el universo se está expandiendo.
Pero hasta la fecha, los esfuerzos más precisos han aterrizado en valores muy diferentes de la constante de Hubble, lo que no ofrece una resolución definitiva de exactamente qué tan rápido está creciendo el universo. Esta información, creen los científicos, también podría arrojar luz sobre los orígenes del universo.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 energético 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 les 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 detectan en la Tierra, deberían proporcionar una medida independiente y precisa deLa distancia del sistema. A pesar de que las binarias de estrellas de neutrones y agujero negro son increíblemente raras, los investigadores calculan que detectar incluso unas pocas debería producir el valor más preciso hasta ahora para la constante de Hubble y la velocidad del universo en expansión.
"Las binarias agujero negro-estrella de neutrones son sistemas muy complicados, de los que sabemos muy poco", dice Salvatore Vitale, profesor asistente de física en el MIT y autor principal del artículo. "Si detectamos una, el premio es quepotencialmente puede 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, una con el telescopio espacial Hubble de la NASA y otra con 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, comoasí como en observaciones de supernovas. Ambos objetos se consideran "velas estándar", por su patrón predecible de brillo, que los científicos pueden usar 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 aún estaba en su infancia. Mientras que las observaciones deAmbas 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 de interferometría láser, detecta ondas gravitacionales: ondas en la gelatina del espacio-tiempo, producidas por fenómenos astrofísicos cataclísmicos.
"Las ondas gravitacionales proporcionan una forma muy directa y fácil 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 la primera oportunidad de estimar la constante de Hubble a partir de una fuente de ondas gravitacionales, cuando LIGO y su contraparte italiana 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 mediciones, los científicos calcularon un nuevo valor para la constante de Hubble. Sin embargo, la estimación llegó con una incertidumbre relativamente grande del 14 por ciento, mucho más incierta que los valores calculados con el telescopio espacial Hubble y el satélite Planck.
Vitale dice que gran parte de la incertidumbre proviene del hecho de que puede ser un desafío interpretar la distancia de una estrella de neutrones binaria a la Tierra usando las ondas gravitacionales que emite este sistema en particular.
"Medimos la distancia observando qué tan 'fuerte' es la onda gravitacional, es decir, qué tan clara es en nuestros datos", dice Vitale. "Si está muy claro, puede ver qué tan fuerte es y eso da la distancia. Pero eso es solo parcialmente cierto para las binarias de estrellas de neutrones ".
Eso se debe a que estos sistemas, que crean un disco giratorio de energía cuando dos estrellas de neutrones giran en espiral una hacia la otra, emiten ondas gravitacionales de manera desigual. La mayoría de las ondas gravitacionales se disparan directamente desde el centro del disco, mientras queuna fracción más pequeña 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 emanan del centrode un sistema mucho más avanzado.
"Con las binarias 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 las estrellas binarias de neutrones.investigando con qué precisión se podría 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, incluyendo binarios agujero negro-estrella de neutrones y binarios de estrella de neutrones. Como subproducto de este esfuerzo, el equipo notó que podían determinar con mayor precisión la distancia entre agujero negro y neutrónbinarias de estrellas, en comparación con las binarias 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 sucedido muchas cosas con LIGO y el descubrimiento de ondas gravitacionales, y todo esto fue dejado en un segundo plano. "
Vitale volvió recientemente a su observación original y en este nuevo artículo se propuso responder una pregunta teórica :
"¿El hecho de que cada binario de estrella de neutrones y agujero negro me dé una mejor distancia va a compensar el hecho de que, potencialmente, hay muchos menos en el universo que los 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. A partir de sus cálculos, llegaron a la conclusión de que, incluso si los sistemas binarios de neutrones superaban en número a los negrossistemas de estrellas de agujero-neutrón en 50-1, este último produciría una constante de Hubble similar en precisión a la primera.
De manera más optimista, si las binarias de estrellas de neutrones y agujero negro fueran un poco más comunes, pero aún más raras que las binarias de estrellas de neutrones, las primeras producirían una constante de Hubble cuatro veces más precisa.
"Hasta ahora, 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 comomucho: agujeros negros y estrellas de neutrones girando en espiral juntas ", 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. Por lo que LIGO debería ver enal menos un binario agujero negro-estrella de neutrones, 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 ".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation y el Laboratorio LIGO.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :