Científicos españoles proponen un nuevo método para refinar la constante de Hubble

Hace ya más de un siglo que sabemos que el Universo está en continua expansión. Debido a ello, los objetos distantes, como las galaxias, se están alejando cada vez más de nosotros, y lo hacen más deprisa cuanto más lejos se encuentran. Los físicos describen esa expansión a través de un número, conocido como la Constante de Hubble, que nos dice lo rápido que las cosas se alejan dependiendo de su distancia. Medir la constante de Hubble de forma precisa significa ser capaces de determinar algunas de las propiedades más fundamentales del Universo, incluida su edad.

Por eso, y a base de recolectar durante décadas señales electromagnéticas emitidas por todo el Universo, los científicos han venido midiendo la constante de Hubble con una precisión cada vez mayor, pero al hacerlo se han encontrado con un grave problema: las dos mejores mediciones que existen, llevadas a cabo con métodos diferentes, no coinciden entre sí. Y hasta ahora todos los esfuerzos por hacer que sus resultados sean consistentes han resultado en vano.

Desde 2015, sin embargo, existe una 'tercera forma' de hacerlo . Y consiste en utilizar ondas gravitacionales, ondulaciones en el propio tejido del espacio tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales se generan en los eventos cósmicos más violentos, como la colisión de dos estrellas de neutrones o de dos agujeros negros, y proporcionan un nuevo canal de información sobre el universo. Y ahora, pueden ayudar a los científicos a profundizar en el misterio de la constante de Hubble.

A diferencia de los agujeros negros, cuando dos estrellas de neutrones se fusionan producen tanto ondas gravitacionales como electromagnéticas, como rayos X , ondas de radio y luz visible . Lo cual es una gran ventaja, ya que mientras que las ondas gravitacionales pueden decirnos la distancia que hay entre el evento de fusión y la Tierra , las ondas electromagnéticas pueden medir lo rápido se aleja toda su galaxia de la Tierra. Esto hace posible una nueva forma de medir la constante de Hubble.

Sin embargo, e incluso con la ayuda de las ondas gravitacionales, sigue siendo complicado medir la distancia a las fusiones de estrellas de neutrones; esa es, en parte, la razón por la que las mediciones actuales de la constante de Hubble basadas en ondas gravitacionales tienen un grado de incertidumbre de cerca del 16% , es decir, mucho mayor que las mediciones que se hacen por medio de otras técnicas tradicionales.

Pero ahora, un equipo de investigadores liderado por Juan Calderón Bustillo , del Instituto Gallego de Física de Altas Energías de la Universidad de Santiago de Compostela, ha propuesto un método simple que es capaz de reducir esa incertidumbre hasta el 2%.

Según Calderón Bustillo, es difícil interpretar lo lejos que ocurren esas fusiones porque «actualmente, no podemos decir si el sistema binario (las dos estrellas de neutrones en colisión) está muy lejos y mirando hacia la Tierra, o si está mucho más cerca, con la Tierra en su plano orbital».

Para poder decidir entre estos dos escenarios, los investigadores proponen estudiar componentes secundarios mucho más débiles de las señales de ondas gravitacionales emitidas por fusiones de estrellas de neutrones, conocidas como 'modos altos' o superiores. «Del mismo modo en que en una orquesta suenan diferentes instrumentos -explica Calderón Bustillo-, las fusiones de estrellas de neutrones emiten ondas gravitacionales de modos diferentes. Cuando las estrellas de neutrones están frente a ti, solo escucharás el instrumento más ruidoso. Sin embargo, si tú estás cerca del plano orbital de la fusión, podrías escuchar también los secundarios. Esto nos permite determinar la inclinación de la fusión de estrellas de neutrones y medir mejor la distancia».

El método, según explica el investigador, no es completamente nuevo: «Sabemos que esto funciona bien para el caso de fusiones muy masivas de agujeros negros porque nuestros detectores actuales pueden registrar el instante de fusión cuando los modos superiores son más prominentes. Pero en el caso de las estrellas de neutrones, el tono de la señal de fusión es tan alto que nuestros detectores no pueden registrarlo. Solo podemos registrar lo que se emite en las órbitas anteriores al momento de la fusión».

Los futuros detectores de ondas gravitacionales, sin embargo, no tendrán ese problema, y podrán acceder directamente al momento de la fusión. Según Paul Lasky , jefe de investigación de OzGrav y coautor del estudio, «cuando dos estrellas de neutrones se fusionan, la física nuclear que gobierna su materia puede causar señales muy ricas que, si se detectan, podrían permitirnos saber exactamente dónde se encuentra la Tierra con respecto al plano orbital de la fusión». Y un detector como el futuro NEMO, proyectado por australia y del que el propio Lasky es uno de los principales impulsores, «podría detectar todas esas ricas señales».

En su estudio, el equipo realizó simulaciones de fusiones de estrellas de neutrones que pueden revelar esos efectos en las ondas gravitacionales. Y el resultado es que un detector como NEMO podría ser capaz de medir la constante de Hubble con una precisión del 2%.

En palabras de Tim Dietrich , otro de los firmantes del artículo, «descubrimos que los detalles finos que describen la forma en que se comportan los neutrones dentro de la estrella producen firmas sutiles en las ondas gravitacionales que pueden ayudar en gran medida a determinar la tasa de expansión del universo. Es fascinante ver cómo los efectos a la escala nuclear más pequeña pueden inferir lo que sucede en la mayor de las escalas cosmológicas».

Una de las implicaciones más destacadas del estudio es que podría ayudar a determinar si el Universo se está expandiendo uniformemente en el espacio como se supone actualmente. «Los métodos anteriores para lograr este nivel de precisión -concluye Calderón Bustillo- se basan en la combinación de muchas observaciones, asumiendo que la constante de Hubble es la misma en todas las direcciones y a lo largo de la historia del universo. En nuestro caso, cada evento individual produciría una estimación muy precisa de 'su propia constante de Hubble', lo que nos permitirá probar si esto es realmente una constante o si varía a lo largo del espacio y el tiempo».