Desentrañando misterios cósmicos: nuevo método propuesto para medir la expansión del universo
En 1929, los astrónomos descubrieron que las galaxias se alejan unas de otras y de nosotros. Interpretaron esta observación de que el universo se está expandiendo. Sin embargo, cuando midieron qué tan rápido se está expandiendo, obtuvieron diferentes respuestas usando diferentes métodos. La diferencia sigue siendo una espina en su descripción del universo en expansión.
Un equipo de investigación encabezado por Souvik Jana del Centro Internacional de Ciencias Teóricas de Bangalore ha propuesto una posible solución. Su artículo, publicado recientemente en Physical Review Letters , ha sido destacado como sugerencia del editor.
La solución depende del estudio de las ondas gravitacionales , ondas en el espacio-tiempo, que los astrónomos detectaron por primera vez en 2015. El equipo estudió cómo la propia gravedad afecta las ondas gravitacionales.
Cuando pares de agujeros negros se fusionan en un solo agujero negro en una danza cósmica, emiten ondas gravitacionales. A medida que llegan a la Tierra, los detectores de kilómetros de longitud ayudan a los científicos a estudiar las propiedades de los pares de agujeros negros. Las galaxias masivas que ocupan el espacio entre los agujeros negros y la Tierra cambian los caminos de estas ondas del espacio-tiempo, lo que hace que los detectores registren múltiples copias de las mismas ondas. Los astrónomos llaman a este fenómeno lentes gravitacionales.
“Hemos estado observando la lente gravitacional de la luz durante más de un siglo”, dijo Parameswaran Ajith, coautor del estudio. “¡Esperamos la primera observación de ondas gravitacionales con lentes en los próximos años!”
En las próximas dos décadas, los científicos comenzarán a utilizar detectores avanzados de ondas gravitacionales en busca de los agujeros negros que se fusionan. “Los detectores futuros podrán ver distancias mucho mayores que los existentes”, explicó Shasvath J. Kapadia, del Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica en Pune, uno de los coautores del estudio. Tejaswi Venumadhav de la Universidad de California en Santa Bárbara, otro coautor, dijo que podrán detectar señales de ondas gravitacionales más débiles que quedan enterradas en el ruido que afecta a los detectores actuales.
Los astrónomos estiman que los detectores avanzados registrarán señales de unos pocos millones de pares de agujeros negros, cada uno de los cuales se fusionará para formar un megaagujero negro. Entre estos, alrededor de 10.000 fusiones de agujeros negros aparecerán más de una vez en el mismo detector debido a lentes gravitacionales.
El equipo dirigido por Souvik demostró que al contar el número de fusiones repetidas de agujeros negros y estudiar el retraso entre ellos, pueden medir la tasa de expansión del universo. A medida que los datos de los detectores avanzados de ondas gravitacionales se filtran en las próximas dos décadas, su método puede potencialmente medir con precisión la tasa de expansión del universo.
La propuesta del equipo, dijo Souvik, no requiere conocer las propiedades de las galaxias individuales que crean múltiples copias de ondas gravitacionales, las distancias a los pares de agujeros negros o incluso su ubicación exacta en el cielo. En cambio, solo requiere un método preciso para saber qué señales se captan. Los científicos están mejorando sus técnicas para identificar las señales repetidas, agrega Shasvath.
Las lentes gravitacionales requieren que la fuente astronómica esté muy lejos. Los pares de agujeros negros se ajustan a este criterio, que puede originar un alboroto hace 13.300 millones de años, apenas 500 millones de años después del nacimiento del universo.
Shasvath advierte que su método propuesto será útil solo cuando los detectores avanzados registren millones de fusiones de agujeros negros. Actualmente, el equipo está estudiando cómo una observación futura de este tipo podrá diferenciar los diferentes modelos del universo que han propuesto los cosmólogos.
Los modelos, explicó el equipo, intentan resolver los misterios de la escurridiza materia oscura, una forma de materia que no interactúa con la luz. La hipótesis de la materia oscura resuelve el problema del astrónomo de explicar por qué las galaxias tienen la masa observada. Sin embargo, los científicos aún no están seguros de las propiedades de la materia oscura, lo que lleva a varios modelos de materia oscura.
La investigación en curso del equipo sugiere que las futuras observaciones de ondas gravitacionales con lentes servirán como herramienta para estudiar las propiedades de la materia oscura.
Referencia: “Cosmografía que utiliza ondas gravitacionales con lentes fuertes de agujeros negros binarios” por Souvik Jana, Shasvath J. Kapadia, Tejaswi Venumadhav y Parameswaran Ajith, 30 de junio de 2023, Physical Review Letters .
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.261401