Ráfagas rápidas de radio y el debate centenario

• Título del artículo original: A new measurement of the Hubble constant using Fast Radio Bursts.
• Autores: Steffen Hagstotz, Robert Reischke, y Robert Lilow.
• Institución del primer autor: Departamento de Física, Universidad de Estocolmo, Suecia.
• Estado de la publicación: Acceso abierto en arXiv.

Hace algunas semanas, publicamos un artículo acerca del gran debate de la cosmología moderna, la tensión de Hubble. Para la cosmología, la ciencia que estudia el Universo, sus contenidos, su pasado, y su futuro, este debate es absolutamente crucial. La discrepancia, que según cómo se mire, ha persistido por más de cien años, es acerca de cúan rápido se está expandiendo el Universo. La velocidad de la expansión del Universo se mide a través de la constante de Hubble, H₀, y como decíamos en el artículo anterior, ha sido motivo de largo debate desde el descubrimiento de la expansión del Universo por Edwin Hubble en la década de 1920.

Hoy en día, la controversia es entre dos formas distintas de medir H₀ que dan resultados distintos. Por un lado, el equipo SH0ES (H₀ y supernova para la equación de estado de energía oscura, por sus siglas en inglés) midió H₀ a través de estrellas variables Cefeidas en galaxias relativamente cercanas, usando entre otras, la misma técnica que Hubble usó hace ya más de cien años. Por el otro lado, el telescopio espacial Planck observó la luz más antigua del Universo, el fondo cósmico de radiación, combinado con datos de supernovas tipo 1A y aglomeración de galaxias. Ya que ambos equipos midieron el mismo parámetro, sus resultados deberían ser iguales, pero no lo son. La Figura 1 muestra la diferencia entre ellos, que es pequeña, pero significativa.

Un misterio fugaz: ráfagas rápidas de radio

En 2007, el astrónomo Duncan Lorimer y su alumno David Narkevic descubrieron accidentalmente una señal muy extraña: una explosión de radio brillante que duró menos de 5 milisegundos. Desde entonces se han descubierto del orden de cien eventos similares, todos muy fugaces, de duración en los milisegundos. Nos referimos a ellos como ráfagas rápidas de radio (FRB por sus siglas en inglés). Al parecer, al menos algunas de estas ráfagas están relacionadas con magnetares, estrellas compactas con campos magnéticos extremadamente potentes. Algunos parecen repetirse periódicamente, otros en períodos irregulares, y otros no se repiten. Aún no sabemos su origen.

Las ráfagas son extremadamente brillantes: la energía liberada en uno de estos eventos en un milisegundo es tanto como la energía del Sol en 3 días enteros. Esto significa que pueden ser observados a enormes distancias, en galaxias lejanas, cuando el Universo era más joven.

Ráfagas de radio y el gran debate

Los autores del artículo de hoy utilizan ráfagas rápidas de radio para estimar la constante de Hubble, H₀, y así asistir en el gran debate. Su metodología consiste en identificar las galaxias huéspedes de las ráfagas, determinar la velocidad de la expansión usando las propiedades de la luz de la galaxia, calcular su distancia usando la ráfaga, y así estimar H₀. Esta técnica es muy similar a la empleada por Hubble en los años 20, y no es ninguna coincidencia: el equipo SH0ES también hizo algo muy similar.

El método que usan para estimar la distancia a la ráfaga está relacionado con el material galáctico e intergaláctico entre la fuente y la Tierra. Ya que estas ráfagas vienen de galaxias ajenas a la nuestra, la señal de radio debe viajar grandes distancias a través de gas ionizado (átomos que han perdido sus electrones). Entre más electrones en el camino de la luz, más retraso hay en la señal, como si hubiera tráfico en la autopista. El retraso depende de la frecuencia de la señal, como se puede apreciar en la Figura 2. Los autores modelan la densidad de electrones en tres partes: los electrones de la galaxia huésped, los electrones entre galaxias, y aquellos de la Vía Láctea. El más incierto de los tres es el primero: no es claro cúanto material ionizado hay en estas galaxias lejanas.

De los ~100 eventos detectados hasta ahora, sólo hemos logrado identificar la galaxia huésped en 9 de ellos. Los autores usan estas 9 ráfagas y 9 galaxias para calcular la velocidad de la expansión del Universo, H₀. Sus resultados están resumidos en la Figura 3.

Conclusiones

Los autores del artículo midieron H₀ usando las 9 ráfagas de radio con galaxias huésped identificadas, y encontraron que H₀ = 62.3 ± 9.1 km/s/Mpc, un número más bajo que Planck y SH0ES, y con un error demasiado grande para distinguir entre ellos dos. La fuente más grande de error es estadística: tienen muy pocas ráfagas, y la segunda fuente es la incertidumbre en la densidad de electrones en las galaxias huéspedes. Los autores estiman que esta técnica podría hacer una medición con 1% de error si tuvieran 500 ráfagas con galaxias huésped identificadas, cosa que es factible con más tiempo de observación de telescopios presentes y futuros, como CHIME, HIRAX y SKA. El debate centario continúa, pero pronto tendremos muchas más herramientas para solucionarlo.