Midiendo la expansión cósmica con radioastronomía y ondas gravitacionales

Los astrónomos estudian la expansión cósmica midiendo la constante de Hubble. Han medido esta constante de varias formas diferentes, pero algunos de sus resultados no concuerdan entre sí. Este desacuerdo, o tensión , en la constante de Hubble es una controversia creciente en astronomía. Pero nuevas observaciones de estrellas de neutrones en colisión podrían proporcionar una solución


Los astrónomos que utilizan radiotelescopios de la National Science Foundation (NSF) han demostrado cómo una combinación de ondas gravitacionales y observaciones de radio, junto con modelos teóricos, pueden convertir las fusiones de pares de estrellas de neutrones en una "regla cósmica" capaz de medir la expansión del Universe y resolviendo una cuestión pendiente sobre su velocidad de crecimiento.


Los astrónomos utilizaron el Very Long Baseline Array (VLBA) de la NSF, el Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) y el Telescopio Robert C. Byrd Green Bank (GBT) para estudiar las consecuencias de la colisión de dos estrellas de neutrones que produjeron ondas gravitacionales detectadas en 2017. Este evento ofreció una nueva forma de medir la tasa de expansión del Universo, conocida por los científicos como la Constante de Hubble. La tasa de expansión del Universo se puede utilizar para determinar su tamaño y edad, además de servir como una herramienta esencial para interpretar las observaciones de objetos en otras partes del Universo.


Dos métodos principales para determinar la constante de Hubble utilizan las características del fondo cósmico de microondas, la radiación sobrante del Big Bang o un tipo específico de explosiones de supernovas, llamadas Tipo Ia, en el Universo distante. Sin embargo, estos dos métodos dan resultados diferentes.


“La fusión de estrellas de neutrones nos brinda una nueva forma de medir la constante de Hubble y, con suerte, de resolver el problema”, dijo Kunal Mooley, del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) y Caltech.


La técnica es similar a la que usa las explosiones de supernovas. Se cree que todas las explosiones de supernovas de tipo Ia tienen un brillo intrínseco que se puede calcular en función de la velocidad a la que se iluminan y luego se desvanecen. Medir el brillo visto desde la Tierra indica la distancia a la explosión de la supernova. La medición del desplazamiento Doppler de la luz de la galaxia anfitriona de la supernova indica la velocidad a la que la galaxia se aleja de la Tierra. La velocidad dividida por la distancia produce la constante de Hubble. Para obtener una cifra precisa, muchas de estas medidas deben realizarse a diferentes distancias.


Cuando dos estrellas de neutrones masivas chocan, producen una explosión y un estallido de ondas gravitacionales. La forma de la señal de ondas gravitacionales les dice a los científicos cuán “brillante” fue esa explosión de ondas gravitacionales. Medir el "brillo" o la intensidad de las ondas gravitacionales recibidas en la Tierra puede dar como resultado la distancia.


“Este es un medio de medición completamente independiente que esperamos pueda aclarar cuál es el verdadero valor de la constante de Hubble”, dijo Mooley.


Sin embargo, hay un giro. La intensidad de las ondas gravitacionales varía con su orientación con respecto al plano orbital de las dos estrellas de neutrones. Las ondas gravitacionales son más fuertes en la dirección perpendicular al plano orbital y más débiles si el plano orbital es visto de canto desde la Tierra.


"Para utilizar las ondas gravitacionales para medir la distancia, necesitábamos conocer esa orientación", dijo Adam Deller, de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia.


Durante un período de meses, los astrónomos utilizaron los radiotelescopios para medir el movimiento de un chorro de material ultrarrápido expulsado por la explosión. “Usamos estas medidas junto con simulaciones hidrodinámicas detalladas para determinar el ángulo de orientación, permitiendo así el uso de ondas gravitacionales para determinar la distancia”, dijo Ehud Nakar de la Universidad de Tel Aviv.


Esta única medición, de un evento a unos 130 millones de años luz de la Tierra, aún no es suficiente para resolver la incertidumbre, dijeron los científicos, pero la técnica ahora se puede aplicar a futuras fusiones de estrellas de neutrones detectadas con ondas gravitacionales.


“Creemos que 15 eventos más de este tipo que se pueden observar tanto con ondas gravitacionales como en gran detalle con radiotelescopios, pueden resolver el problema”, dijo Kenta Hotokezaka, de la Universidad de Princeton . “Este sería un avance importante en nuestra comprensión de uno de los aspectos más importantes del Universo”, agregó.


El equipo científico internacional dirigido por Hotokezaka informa sus resultados en la revista Nature Astronomy.





Fuente: National Radio Astronomy Observatory

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