Actualizado 28/04/2021 16:53 CET

Medir la expansión cósmica con agujeros negros y estrellas de neutrones

Interacción agujero negro-estrella de neutrones puede ayudar a medir la tasa de expansión deL Universo
Interacción agujero negro-estrella de neutrones puede ayudar a medir la tasa de expansión deL Universo - UCL

   MADRID, 28 Abr. (EUROPA PRESS) -

   El estudio de las violentas colisiones de los agujeros negros y las estrellas de neutrones puede proporcionar pronto una nueva medida de la tasa de expansión del Universo, objeto de larga controversia.

   Nuestras dos mejores formas actuales de estimar la tasa de expansión del Universo, midiendo el brillo y la velocidad de las estrellas pulsantes y en explosión, y observando las fluctuaciones en la radiación del Universo temprano, dan respuestas muy diferentes, lo que sugiere que nuestra teoría del Universo puede estar equivocada.

   Un tercer tipo de medición, que analiza las explosiones de luz y las ondas en el tejido del espacio causadas por las colisiones entre el agujero negro y las estrellas de neutrones, debería ayudar a resolver este desacuerdo y aclarar si nuestra teoría del Universo necesita una reescritura.

   Un nuevo estudio, publicado en Physical Review Letters, simuló 25.000 escenarios de colisión de agujeros negros y estrellas de neutrones, con el objetivo de ver cuántos probablemente serían detectados por instrumentos en la Tierra a mediados o finales de la década de 2020.

   Los autores del UCL (University College London) encontraron que, para 2030, los instrumentos en la Tierra podrían detectar ondas en el espacio-tiempo causadas por hasta 3.000 de tales colisiones, y que para alrededor de 100 de estos eventos, los telescopios también verían explosiones de luz acompañantes.

   Concluyeron que estos serían datos suficientes para proporcionar una medida nueva y completamente independiente de la tasa de expansión del Universo, lo suficientemente precisa y confiable como para confirmar o negar la necesidad de una nueva física.

   El autor principal, doctor Stephen Feeney, dijo en un comunicado: "Una estrella de neutrones es una estrella muerta, creada cuando una estrella muy grande explota y luego colapsa, y es increíblemente densa, típicamente de 15 kilómetros de diámetro pero con una masa de hasta el doble que nuestro Sol. Su colisión con un agujero negro es un evento cataclísmico, que provoca ondas de espacio-tiempo, conocidas como ondas gravitacionales, que ahora podemos detectar en la Tierra con observatorios como LIGO y Virgo.

   "Aún no hemos detectado luz de estas colisiones. Pero los avances en la sensibilidad de los equipos que detectan ondas gravitacionales, junto con los nuevos detectores en India y Japón, conducirán a un gran salto adelante en términos de cuántos de estos tipos de eventos podemos detectar. Es increíblemente emocionante y debería abrir una nueva era para la astrofísica ".

   Para calcular la tasa de expansión del Universo, conocida como la constante de Hubble, los astrofísicos necesitan conocer la distancia de los objetos astronómicos a la Tierra, así como la velocidad a la que se alejan. El análisis de las ondas gravitacionales nos dice qué tan lejos está una colisión, dejando solo la velocidad por determinar.

   Para saber a qué velocidad se está alejando la galaxia que alberga una colisión, observamos el "corrimiento al rojo" de la luz, es decir, cómo la longitud de onda de la luz producida por una fuente se ha estirado por su movimiento. Las explosiones de luz que pueden acompañar a estas colisiones nos ayudarían a identificar la galaxia donde ocurrió la colisión, lo que permitiría a los investigadores combinar mediciones de distancia y mediciones de corrimiento al rojo en esa galaxia.

   Feeney dijo: "Los modelos informáticos de estos eventos cataclísmicos están incompletos y este estudio debería proporcionar una motivación adicional para mejorarlos. Si nuestras suposiciones son correctas, muchas de estas colisiones no producirán explosiones que podamos detectar; el agujero negro se tragará el estrella sin dejar rastro. Pero en algunos casos, un agujero negro más pequeño puede primero desgarrar una estrella de neutrones antes de tragarla, dejando potencialmente materia fuera del agujero que emite radiación electromagnética".

   La coautora, la profesora Hiranya Peiris (UCL de Física y Astronomía y Universidad de Estocolmo) dijo: "El desacuerdo sobre la constante de Hubble es uno de los mayores misterios de la cosmología. Además de ayudarnos a desentrañar este rompecabezas, las ondas del espacio-tiempo de estos eventos cataclísmicos se abren una nueva ventana al universo. Podemos anticipar muchos descubrimientos emocionantes en la próxima década ".

   Las ondas gravitacionales se detectan en dos observatorios en los Estados Unidos (LIGO Labs), uno en Italia (Virgo) y otro en Japón (KAGRA). Un quinto observatorio, LIGO-India, está ahora en construcción.

Nuestras dos mejores estimaciones actuales de la expansión del Universo son 67 kilómetros por segundo por megaparsec (3,26 millones de años luz) y 74 kilómetros por segundo por megaparsec. El primero se deriva del análisis del fondo cósmico de microondas, la radiación que quedó del Big Bang, mientras que el segundo proviene de comparar estrellas a diferentes distancias de la Tierra, específicamente Cefeidas, que tienen brillo variable, y estrellas en explosión llamadas supernovas de tipo Ia.

   Feeney explicó: "Como la medición de fondo de microondas necesita una teoría completa del Universo, pero el método estelar no, el desacuerdo ofrece pruebas tentadoras de nueva física más allá de nuestra comprensión actual. Sin embargo, antes de que podamos hacer tales afirmaciones, necesitamos la confirmación del desacuerdo a partir de observaciones completamente independientes; creemos que pueden obtenerse mediante colisiones entre agujeros negros y estrellas de neutrones".

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