Midiendo el ritmo de expansión con observaciones de ondas gravitacionales, rayos gamma y radio-frecuencias

• Título: A Hubble constant measurement from superluminal motion of the jet in GW170817
• Autores: K. Hotokezaka et al.
• Institución del primer autor: Princeton University

El astrobito de hoy trata, de nuevo, sobre las consecuencias observacionales de GW170817, la famosa detección de una onda gravitacional y su equivalente electromagnética. Éste ha sido uno de los eventos científicos de mayor relevancia, y ha sido objeto de numerosos astrobitos (por ejemplo 1, 2, 3 y 4). En este caso nos centraremos en una de las consecuencias cosmológicas de esta detección.

El análisis de los datos de una onda gravitacional particular es capaz de determinar muchas de las características del sistema binario que dió lugar a este evento. Estas características se pueden resumir en un número pequeño de cantidades, tales como las masas de los dos objetos, la energía emitida en forma de ondas gravitacionales, el ángulo de observación con respecto al plano del sistema (que llamaremos θ_obs) y, lo más importante, la distancia a la que se encuentra el sistema d. La ley de Hubble para objetos cercanos, implica que la velocidad de recesión v_rec de un determinado objeto está linealmente relacionada con su distancia a través de la llamada constante de Hubble, H₀ (es decir v_rec = H₀ d), que representa el ritmo actual de expansión cosmológica del Universo. Por lo tanto, combinando una medida de d con una de la velocidad v_rec, debería ser posible realizar una medición independiente de H₀.

La razón por la que H₀ es actualmente un parámetro de extrema importancia para los cosmólogos es que existen dos mediciones independientes de esta cantidad. Una de ellas fue determinada a partir de las observaciones del fondo de radiación de microondas del satélite Planck, mientras que la otra se realizó a partir de observaciones locales de la llamada “escalera de distancias cósmicas” (i.e. mediciones directas de la ley de Hubble para objetos cercanos) por la colaboración SHoES. Ambas medidas son extremadamente precisas (al nivel del 1% de error), y sin embargo se encuentran en tensión, con H₀~67±0.6 para Planck y H₀~73±1.7 para SHoES). Una medida alternativa suficientemente precisa, sin embargo, podría decantar la balanza por una de las dos medidas, o al menos arrojar cierta luz sobre las posibles causas de la diferencia en ambas mediciones (¿son simplemente errores sistemáticos o una prueba de nuevos fenómenos físicos?).

Fig. 1: Distintas mediciones del ritmo de expansión H₀. Utilizando los datos originales de GW170817 (naranja), en combinación con los datos de VLBA (azul), la medición de Planck (verde) y la medición de SHoES (rojo). Figura obtenida del artículo original.

Para medir H₀ a partir de ondas gravitacionales, sin embargo, necesitamos combinar la medición de d con una medición de v_rec, lo cual sólo es posible si tenemos una medición conjunta del espectro electromagnético de la fuente de dichas ondas. Por esta razón la detección de GW170817 fue tremendamente importante, ya que nos permitió asociar esta onda gravitacional a una galaxia concreta (llamada NGC4993). Esto dio lugar, entre otras cosas, a una medición de H₀, presentada en este artículo. Desafortunadamente esta medida no es muy precisa, y todavía no era suficiente para resolver la tensión entre Planck y SHoES. La distribución de probabilidad de H₀ para esta medida se encuentra representada por la curva naranja en la Figura 1. Las mediciones de Planck y SHoES, en verde y naranja, son ambas compatibles con esta medición, dada su gran barra de error. La colaboración LIGO estimó que sería necesario medir del orden de 100 sistemas de este tipo para poder diferenciar entre ambas medidas. Desafortunadamente éste es un número muy grande dado el ritmo con el que se espera poder encontrar ondas gravitacionales con equivalentes electromagnéticas.

La razón más importante para el gran error existente en esta última medida de H₀ es la degeneración existente entre la determinación de la distancia d y el ángulo de observación θ_obs, que es difícil de determinar utilizando solo los datos de ondas gravitacionales. Esta degeneración se encuentra representada por los contornos naranjas en la Figura 2. Los autores del artículo de hoy han conseguido romper esta degeneración haciendo uso de observaciones del mismo sistema en el espectro de radio frecuencias.

La idea es la siguiente: un evento como el de GW170817 debería haber generado un chorro de partículas ultra-relativistas. En un artículo que acompaña al que hoy trataron, los autores fueron capaces de detectar este chorro utilizando el radio-telescopio VLBA, y lo estudiaron durante varios días para determinar sus propiedades. En particular, esto permitió a los autores determinar el ángulo de incidencia de este chorro, que está directamente relacionado con θ_obs (contornos azules en la Figura 2). Los autores repitieron esta medición utilizando un gran número de modelos distintos que describen la física del chorro ultra-relativista para cerciorarse de que su determinación de θ_obs es lo suficientemente robusta.

Fig 2: Medición conjunta de la distancia a GW170817 y del ángulo de observación a partir de los datos originales (naranja), usando los datos de radio (violeta) y en combinación (azul). Figura obtenida del artículo original.

Una vez establecido θ_obs, los autores utilizaron esta medida en el artículo de hoy para obtener una mejor medida de d a partir de los datos de ondas gravitacionales, y con ello, una mejor medida de la constante de Hubble H₀. Las barras de error de esta nueva medición son mucho menores que utilizando sólo los datos originales de GW170817, y corresponden a H₀~69±4.6. Los resultados corresponden a la curva azul de la Figura 1. Esta nueva medición todavía no es suficiente para discriminar entre SHoES y Planck, sin embargo los autores han demostrado que, utilizando observaciones de radio, sólo harían falta 15 eventos de este tipo para reducir suficiente las barras de error. Ésto supondría un escenario mucho más optimista comparado con los cientos de eventos necesarios si sólo usamos ondas gravitacionales, y ponen de manifiesto el tremendo potencial de estos futuros observatorios para producir nuevos descubrimientos en cosmología.