La colisión de agujeros negros podría ser una herramienta fantástica para medir la aceleración de la expansión del universo. Es algo que resulta muy atractivo porque podría ayudar a entender mejor uno de los grandes enigmas de la astronomía moderna: el valor de la constante de Hubble.
La expansión del universo analizada con agujeros negros
Los agujeros negros son el lugar donde, generalmente, la información desaparece. Un grupo de investigadores, sin embargo, puede haber encontrado un truco para utilizar los últimos momentos, previos a una colisión, para entender mejor la historia del universo. Es algo que explican en un estudio publicado recientemente en la revista Physical Review Letters. Dos astrofísicos de la Universidad de Chicago han detallado un método para utilizar colisiones de agujeros negros para medir a qué ritmo se produce la expansión del universo.
De esa manera, se puede entender cómo ha evolucionado el cosmos, de qué está compuesto y cuál es su futuro. En particular, los autores consideran que esta nueva técnica, a la que llaman la sirena espectral, podría permitir obtener más información sobre la «adolescencia» del universo. Uno de los grandes debates en la comunidad científica es a qué velocidad se está expandiendo el universo. Esa cifra es conocida como la constante de Hubble. Los métodos disponibles hasta ahora han dado valores ligeramente diferentes.
Es algo que resulta desconcertante. La comprensión que tenemos del universo dice que la constante de Hubble solo debería tener un valor, no debería haber dos diferentes. Por eso, la comunidad científica está deseando encontrar alternativas para medir esa aceleración. Comprobar la precisión de una medición es muy importante porque puede afectar a preguntas fundamentales como la edad, historia y composición del universo. Este estudio ofrece una manera diferente de realizar ese cálculo. Se apoya en detectores especiales que captan esas colisiones.
El papel de los observatorios de ondas gravitacionales
Por supuesto, hablamos de los observatorios de ondas gravitacionales, como LIGO y Virgo. En los últimos años, los observatorios han recogido lecturas de casi un centenar de parejas de agujeros negros que han colisionado. La señal de cada colisión contiene información sobre lo masivos que eran esos agujeros negros. Pero esa señal ha estado viajando por el espacio y, en ese tiempo, el universo se ha expandido. Eso modifica las propiedades de la señal. Por ejemplo, explica Daniel Holz (uno de los autores), podemos usar un caso hipotético.
Si tuviésemos un agujero negro, y lo colocásemos en la infancia del universo, su señal cambiaría y parecería ser un agujero negro más grande de lo que es en realidad. Si se puede encontrar una manera de medir cómo ha cambiado la señal, entonces se puede calcular la aceleración de la expansión del universo. El problema es la calibración. ¿Cómo saber cuánto ha cambiado la señal en comparación a la original? En su nuevo estudio, Holz y José María Ezquiaga (el autor principal del estudio) sugieren usar la población de agujeros negros para ese fin.
Gracias a las ondas gravitacionales se ha acumulado mucho conocimiento sobre ellos y pueden utilizarse como herramienta de calibración. Por ejemplo, los indicios actuales sugieren que la mayoría de agujeros negros detectados tienen entre cinco y 40 veces la masa del Sol. Así, explica Ezquiaga, se comienza midiendo las masas de agujeros negros cercanos y se determinan sus características. Después, se mira mucho más lejos para ver cuánto parecen haber cambiado esos agujeros negros que están mucho más lejos.
La sirena espectral para medir la expansión del universo
De esta manera se puede obtener una medición de la expansión del universo. Es a este método a lo que los autores llaman la sirena espectral. Es una aproximación diferente a un método diferente, llamado sirena estándar que tanto Holz como sus colaboradores han estado explorando. El nombre hace referencia a las candelas estándar, que también se utilizan en la astronomía. Los autores están muy emocionados con el futuro. A medida que mejore la capacidad de LIGO, el método podría ofrecer una oportunidad única.
Podría permitir analizar la «adolescencia» del universo. Aproximadamente, el período de hace unos 10 000 millones de años, que es difícil de estudiar con otros métodos. Los investigadores pueden utilizar la radiación de fondo de microondas para observar los primeros momentos del cosmos. También pueden analizar las galaxias cercanas a la nuestra para estudiar la historia más reciente del cosmos. Sin embargo, el período entre ambos puntos es mucho más difícil de estudiar y es una época que resulta de un especial interés científico.
En aquella época se produjo un cambio importante. El universo pasó de estar dominado principalmente por materia oscura a estarlo por la energía oscura. Es ese proceso, especialmente, el que Ezquiaga y Holz quieren estudiar con mucho más detalle. La otra ventaja, añaden, es que este método presenta menos incertidumbres causadas por esas lagunas de conocimiento sobre la historia del cosmos. Todo tiene que ver con el poder recurrir a la población de agujeros negros y poder calibrar correctamente este método que presentan.
La aceleración de la expansión del universo
Todo se resume a que, de esta manera, es posible identificar los errores de manera directa y corregirlos. El resto de métodos, utilizados para calcular la constante de Hubble, se apoyan en nuestra comprensión actual de la física de estrellas y galaxias. Para ello es necesario recurrir a astrofísica compleja. Por lo que las mediciones pueden estar erradas si hay algún aspecto que todavía no se haya descubierto. Por contra, este método con los agujeros negros, para medir la aceleración de la expansión del universo, recurre a la teoría de la relatividad de Einstein.
Es una teoría bien estudiada y que ha aguantado todas las pruebas a las que la han sometido científicos de todo el mundo, a lo largo del tiempo. Cuantas más lecturas se tengan de los agujeros negros, más precisa será la calibración. En este sentido, Holz explica que preferiblemente, habría que disponer de miles de señales. Por ahora no se ha llegado al centenar, pero debería ser cuestión de años. En las próximas dos décadas, la cifra de colisiones de agujeros negros va a crecer enormemente con la llegada de nuevos observatorios.
En ese momento, será una herramienta muy potente para entender mejor el universo. Es un ejemplo más de cómo el avance de la tecnología, y la llegada de nuevos métodos, como las ondas gravitacionales, sirven para continuar completando la imagen que tenemos del cosmos. La parte menos alentadora, quizá, es que tendríamos que esperar un buen puñado de años hasta verlo en marcha. Por otro lado, determinar, de una vez, el valor de la constante de Hubble serviría para poder dejar atrás un dilema que sigue en pie desde hace ya unos cuantos años…
Estudio
El estudio es J. Ezquiaga y D. Holz; «Spectral Sirens: Cosmology from the Full Mass Distribution of Compact Binaries». Publicado en la revista Physical Review Letters el 3 de agosto de 2022. Puede consultarse en este enlace.
Referencias: Phys
