Medición De La Edad Del Universo Con Ondas Gravitacionales

Midiendo la edad del universo

Visualización de un artista de la fusión de una estrella de neutrones binaria. Las instalaciones de LIGO y Virgo han detectado recientemente ondas gravitacionales de las fusiones de estrellas de neutrones binarias y agujeros negros binarios. Estas medidas se pueden utilizar para calcular la edad del universo de una forma que sea independiente de los dos métodos convencionales utilizados anteriormente. Los astrónomos han calculado que en los próximos cinco años es probable que se detecten cincuenta de estos eventos; sus estadísticas permitirán determinar la edad con una precisión del 2%, suficiente para resolver también la incompatibilidad actual entre las otras dos estimaciones. Crédito: Fundación Nacional de Ciencias / LIGO / Universidad Estatal de Sonoma / A. Simonnet

El enigma más importante de la cosmología actual (el estudio del universo como un todo) se puede resumir en una pregunta: ¿Qué edad tiene? Durante casi un siglo, desde que los descubrimientos de Einstein, Hubble, LeMaitre y otros llevaron al modelo de creación del Big Bang, hemos conocido la respuesta. Tiene aproximadamente 13,8 mil millones de años (utilizando datos actuales). Pero solo en la última década, los dos métodos de medición alternativos han reducido las incertidumbres en sus resultados a un pequeño porcentaje para llegar a una conclusión sorprendente: los dos no están de acuerdo entre sí. Dado que ambos métodos se basan exactamente en el mismo modelo y ecuaciones, nuestra comprensión del universo es de alguna manera errónea, quizás fundamentalmente.

Ingrese al logro técnico más emocionante en astronomía durante décadas, la detección de ondas gravitacionales (GW) causada por la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones entre sí por LIGO -Virgo, al que pronto se unirán otras instalaciones de detección de GW similares en otros países. Es probable que la solución al dilema cosmológico se resuelva pronto con estos instrumentos, según un nuevo artículo de Nature de Hsin-Yu Chen de la Iniciativa de Agujero Negro de Harvard, Maya Fishbach y Daniel E. Holz de la Universidad de Chicago . Los autores describen cómo las próximas detecciones de GW tendrán suficientes estadísticas para resolver la cuestión de la edad, obligando a uno u otro (o quizás a ambos) métodos a reconsiderar su comprensión básica, o posiblemente incluso forzando una nueva variación de Cuándo y cómo de la creación.

Los dos métodos actualmente en conflicto se basan en observaciones de partes muy diferentes del orden cósmico. El primer método mide y modela la radiación cósmica de fondo de microondas (el método CMBR) producida por el universo cuando, después de unos 380.000 años, se enfrió y permitió que se formaran átomos de hidrógeno neutros y que la luz se propagara sin dispersarse. El segundo método, el utilizado por Hubble e interpretado por LeMaitre, mide las galaxias. Este método aprovecha la expansión del universo para correlacionar la distancia de una galaxia con su velocidad de recesión, la llamada Ley de Hubble-LeMaitre, y para derivar el parámetro Hubble-LeMaitre que describe cuánto tiempo han estado en movimiento estas galaxias, relacionado con la edad del universo. Hoy en día, todos los astrónomos confían en esta expresión para obtener las distancias a galaxias demasiado lejanas para medirlas directamente, pero cuyas velocidades se ven fácilmente en los desplazamientos Doppler (el desplazamiento al rojo) de sus líneas espectrales. Si bien el uso más familiar del parámetro es obtener la edad del universo, su valor influye en todos los demás parámetros del modelo cosmológico (alrededor de nueve de ellos) que juntos también explican la forma y el carácter de expansión del universo.

El Hubble calibró su conjunto de distancias con galaxias cercanas, pero hoy somos capaces de ver galaxias tan remotas que su luz ha viajado hacia nosotros durante más de diez mil millones de años. Las supernovas (SN), o al menos aquellas cuyo brillo se cree que se entiende bien, se pueden ver a grandes distancias y, por lo tanto, se han utilizado para iniciar la calibración de la escala de distancia hacia afuera desde el vecindario original del Hubble. Sin embargo, existen sutiles complejidades en SN que no se comprenden bien, lo que resulta en una incertidumbre que se ha ido haciendo más pequeña a medida que nuestra comprensión de ellas ha mejorado. Hoy esas incertidumbres son lo suficientemente pequeñas como para excluir el resultado comparable de las mediciones de CMBR.

El método GW de medición de distancia es completamente independiente de los métodos de galaxias y CMBR. La relatividad general por sí sola proporciona la fuerza intrínseca de la señal GW de su peculiar señal de llamada, y su fuerza observada proporciona una medida directa de su distancia. (La información de velocidad se obtiene del corrimiento al rojo de las líneas atómicas en la galaxia anfitriona). La Dra. Chen y sus colegas simularon 90.000 eventos de fusión en binario calabozo o binario estrella neutrón sistemas, incluidas las propiedades de la galaxia anfitriona, e incluían efectos de selección probables y otras complejidades. La fuerza de GW, por ejemplo, depende de nuestro ángulo de visión de inclinación de la fusión, mientras que el número de eventos a esperar solo está limitado de manera aproximada por las detecciones hasta ahora. Incluyendo estas y otras incertidumbres similares, los astrónomos concluyen que en los próximos cinco años es probable que el método GW fije el parámetro Hubble-LeMaitre (es decir, la edad del universo) con una precisión del 2% y del 1%. en una década, lo suficientemente bueno como para excluir uno o incluso ambos métodos. Las conclusiones del nuevo artículo se ven reforzadas por el hecho de que ya apareció un artículo que utiliza el método GW para estimar una edad. Tenía una incertidumbre de entre 11,9 mil millones de años y 15,7 mil millones de años, abarcando tanto los valores actuales de CMBR como de galaxias. Pero el nuevo artículo muestra que en cinco años se detectarán otros aproximadamente cincuenta eventos de GW y estos deberían ser suficientes para resolver el asunto … y marcar el comienzo de una nueva era en cosmología de precisión.

Con sede en Cambridge, Mass., El Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica ( CfA ) es una colaboración entre el Observatorio Astrofísico Smithsonian y el Observatorio de la Universidad de Harvard. Los científicos de CfA, organizados en seis divisiones de investigación, estudian el origen, la evolución y el destino final del universo.

Publicación: Hsin-Yu Chen, et al., “Una medición constante de Hubble del dos por ciento a partir de sirenas estándar en cinco años”, Nature (2018)

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