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Pares de agujeros negros en colisión pueden usarse para medir a qué velocidad se está expandiendo nuestro universo y así comprender cómo evolucionó, de qué está hecho y hacia dónde va.
Se trata de una nueva técnica presentada en Physical Review Letters por dos astrofísicos de la Universidad de Chicago con la denominación 'sirena espectral'.
Un importante debate científico en curso es exactamente cómo de rápido se está expandiendo el universo, un número llamado constante de Hubble. Los diferentes métodos disponibles hasta ahora arrojan respuestas ligeramente diferentes, y los científicos están ansiosos por encontrar formas alternativas de medir esta tasa. Verificar la precisión de este número es especialmente importante porque afecta nuestra comprensión de cuestiones fundamentales como la edad, la historia y la composición del universo.
El nuevo estudio ofrece una forma de hacer este cálculo, utilizando detectores especiales que captan los ecos cósmicos de las colisiones de agujeros negros.
Ocasionalmente, dos agujeros negros chocarán entre sí, un evento tan poderoso que literalmente crea una onda en el espacio-tiempo que viaja por todo el universo. Aquí en la Tierra, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser de EE.UU. (LIGO) y el observatorio italiano Virgo pueden captar esas ondas, que se denominan ondas gravitacionales.
En los últimos años, LIGO y Virgo han recopilado las lecturas de casi 100 pares de agujeros negros en colisión.
La señal de cada colisión contiene información sobre lo masivos eran los agujeros negros. Pero la señal ha estado viajando por el espacio y durante ese tiempo el universo se ha expandido, lo que cambia las propiedades de la señal. "Por ejemplo, si tomas un agujero negro y lo colocas antes en el universo, la señal cambiaría y se vería como un agujero negro más grande de lo que realmente es", explicó en un comunicado el astrofísico de Universidad de Chicago Daniel Holz, uno de los dos autores del estudio.
Si los científicos pueden encontrar una manera de medir cómo cambió esa señal, pueden calcular la tasa de expansión del universo. El problema es la calibración: ¿Cómo saben cuánto cambió con respecto al original?
En su nuevo artículo, Holz y el primer autor, Jose María Ezquiaga, sugieren que pueden utilizar nuestro nuevo conocimiento sobre toda la población de agujeros negros como herramienta de calibración. Por ejemplo, la evidencia actual sugiere que la mayoría de los agujeros negros detectados tienen entre cinco y 40 veces la masa de nuestro sol. "Así que medimos las masas de los agujeros negros cercanos y entendemos sus características, y luego miramos más lejos y vemos cuánto parecen haber cambiado esos más lejanos", dijo Ezquiaga, becario postdoctoral Einstein de la NASA y becario del Instituto Kavli de Física Cosmológica, que trabaja con Holz en Chicago. "Y esto te da una medida de la expansión del universo".
Los autores lo denominan método de "sirena espectral", un nuevo enfoque del método de "sirena estándar" en el que Holz y sus colaboradores han sido pioneros. (El nombre es una referencia a los métodos de 'vela estándar' que también se usan en astronomía).
Los científicos están entusiasmados porque en el futuro, a medida que se expandan las capacidades de LIGO, el método puede proporcionar una ventana única a los años "adolescentes" del universo, hace unos 10.000 millones de años, que son difíciles de estudiar con otros métodos.
Los investigadores pueden usar el fondo cósmico de microondas para observar los primeros momentos del universo, y pueden observar las galaxias cercanas a nuestra propia galaxia para estudiar la historia más reciente del universo. Pero el período intermedio es más difícil de alcanzar y es un área de especial interés científico.
"Es en ese momento que pasamos de ser la materia oscura la fuerza predominante en el universo a la energía oscura tomando el control, y estamos muy interesados en estudiar esta transición crítica", dijo Ezquiaga.
La otra ventaja de este método, dijeron los autores, es que hay menos incertidumbres creadas por lagunas en nuestro conocimiento científico. "Al utilizar toda la población de agujeros negros, el método puede calibrarse a sí mismo, identificando y corrigiendo los errores directamente", dijo Holz. Los otros métodos utilizados para calcular la constante de Hubble se basan en nuestra comprensión actual de la física de las estrellas y las galaxias, que implica una gran cantidad de física y astrofísica complicadas. Esto significa que las medidas pueden desviarse un poco si hay algo que aún no sabemos.
Por el contrario, este nuevo método del agujero negro se basa casi exclusivamente en la teoría de la gravedad de Einstein, que está bien estudiada y se ha enfrentado a todas las formas en que los científicos han intentado probarla hasta ahora.
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