Sirenas espaciales y la expansión del Universo

Título: First measurement of the Hubble constant from a dark standard siren using the Dark Energy Survey galaxies and the LIGO/Virgo binary-black-hole merger GW170814.

Autores: M. Soares-Santos et al., The DES Collaboration, The LIGO Collaboration & The Virgo Collaboration.

Institución del primer autor: Brandeis University.

Estado del artículo: enviado a ApjL.

Desde hace dos décadas sabemos que el Universo está acelerando su expansión. Qué causa este fenómeno es aún un misterio. Podría tratarse de una consecuencia de la relatividad general de Einstein, o bien podría ser que no entendemos la física a una escala tan grande como la del Universo, requiriéndose modificaciones de dicha teoría. Lo que sí sabemos es que, en los datos de los que disponemos hoy en día, se está empezando a vislumbrar una “tensión” entre cuánto se expande el Universo hoy comparado con su comportamiento miles de millones de años atrás. Si generaciones venideras de experimentos confirman esta evidencia tentativa, nos podríamos enfrentar a un cambio radical de nuestros modelos cosmológicos.

Un jugador nuevo ha entrado al campo de la cosmología observacional. Recientemente, la detección de las ondas gravitacionales por el experimento LIGO ha resultado en la oportunidad de estudiar la expansión del Universo mediante una técnica que combina la señal de ondas gravitacionales con su contrapartida electromagnética. Por ejemplo, un año atrás se anunció la primera detección de luz coincidente con el evento GW170817 descubierto por las colaboraciones LIGO y Virgo (GW por ‘Gravitational Wave’ y los números que le siguen por la fecha del evento). El evento se interpretó como la fusión de dos estrellas de neutrones y el modelado de la señal gravitacional permitió estimar la distancia al sistema. Lo anterior es posible porque la distancia al evento está codificada en la ‘forma de onda’ de la señal, y es por esto que las ondas gravitacionales son conocidas como “sirenas estándar“. Al mismo tiempo, la luz que llegó luego de la fusión permitió identificar una galaxia huéspeddel evento y estimar su corrimiento al rojo. (Como el Universo se expande y las galaxias distantes se alejan de nosotros, la longitud de onda de un objeto lejano está sujeta al efecto Doppler, y por ende se “corre al rojo”.) La distancia y el corrimiento al rojo se relacionan a través de la tasa de expansión del Universo, llamada “constante de Hubble“, que pudo así estimarse a partir del evento GW170817, obteniendo un valor de

H₀ = 70⁺¹²_-8 km/s/Mpc.

No todos los eventos gravitacionales son acompañados de una detección electromagnética. Es decir, no para todos se puede estimar su corrimiento al rojo, aunque sí su distancia. ¿Cómo se podría sortear este obstáculo para medir la expansión del Universo? Los autores del artículo de hoy ponen a prueba un método algo diferente. Si no se puede identificar con precisión la galaxia huésped de un evento, quizás se puede al menos obtener una probabilidad de que haya ocurrido a cierto corrimiento al rojo, juzgando por la abundancia de galaxias en sus cercanías. Así pues, lo que hace falta en este caso es tener una idea de en qué parte del cielo ocurrió la emisión de ondas gravitacionales, proporcionada por LIGO y Virgo, y de la distribución de galaxias en ese área.

GW170814

El evento GW170814 se trató de una fusión de dos agujeros negros. En este caso, no se espera detectar luz coincidente con el evento (se trata, después de todo, ¡de dos agujeros negros!). Pero la ubicación en el cielo pudo ser restringida con gran precisión, la mejor entre todas las detecciones de este tipo de eventos, gracias a la combinación de los detectores LIGO y Virgo. En la figura de más abajo se muestra dicha ubicación, indicada por los contornos en blanco en el panel superior izquierdo. Al mismo tiempo, se tiene una idea de a qué distancia ocurrió la emisión de ondas gravitacionales (panel inferior derecho).

Por otro lado, el experimento Dark Energy Survey (DES) nos provee la distribución de galaxias en el mismo área donde ocurrió GW170814. Éste experimento (del que hemos hablado en otra pieza en este sitio) consiste de un programa ambicioso de cartografía celeste, en el que un telescopio toma imágenes y crea mosaicos de una región grande del cielo para estudiar el fenómeno de lentes gravitacionales. En el artículo de hoy, los datos del DES tienen una aplicación muy distinta. Nos permiten conocer la distribución de corrimientos al rojo de las galaxias en las que pudo haber ocurrido GW170814 (visible en el panel superior izquierdo de la figura). Comparado con el promedio de galaxias esperado, hay más galaxias a bajo corrimiento al rojo, y menos a valores grandes. Esto es una consecuencia de la distribución de materia en el Universo, que presenta algunas regiones más o menos densas distribuidas en la llamada estructura de gran escala.

Pues bien, hasta ahora tenemos una estimación para la distancia a GW170814, y una distribución de probabilidades para los corrimientos al rojo de las galaxias en la misma región. ¿Cómo se conectan estos dos observables a la tasa de expansión del Universo? Se asume que GW170814 debe haber ocurrido en alguna de esas galaxias observadas, con cierta prescripción para calcular la probabilidad de que esto ocurriera. Esto nos da una idea del corrimiento al rojo de GW170814. Por ende, se puede obtener la tasa de expansión asumiendo que ésta debe ser tal que la distancia medida y el corrimiento al rojo estimado para GW170814 sean compatibles. (Para verificar que este procedimiento fuera consistente y arrojara resultados robustos, los autores realizaron varias simulaciones del cielo con cientos de eventos de ondas gravitacionales y un valor conocido de H₀.) Así se obtuvo una tasa de expansión de

H₀ = 72.5^+39.5_-32.4 km/s/Mpc.

Aunque la incerteza es significativa, este valor se encuentra de acuerdo con el estimado usando GW170817, descrito más arriba. También, en el futuro se espera que este método se aplique a cuantos eventos de ondas gravitacionales sean localizados con buena precisión, produciendo resultados más restrictivos. La capacidad de detectar ondas gravitacionales a mayor distancia, debida a un incremento en la sensibilidad de los detectores, requerirá también mapas del cielo más profundos. Telescopios como DES, Pan-STARRS o el Large Synoptic Survey Telescope serán una gran fuente de información al respecto en la década venidera.

Imagen de portada: Figura 1 del artículo en la que muestra la región del cielo donde se estima que ocurrió la emisión de ondas gravitacionales (contornos) superpuesta a la distribución de galaxias del Dark Energy Survey.