Las colisiones de estrellas de neutrones arrojan luz sobre la expansión del universo

En los últimos años, la astronomía se ha visto a sí misma en una especie de crisis: aunque sabemos que el universo se está expandiendo, y aunque sabemos aproximadamente a qué velocidad lo hace, las dos formas fundamentales de medir esa expansión no coinciden. Ahora los astrofísicos del Instituto Niels Bohr proponen un nuevo método que puede ayudar a resolver esta tensión.

El universo se esta expandiendo

Lo sabemos desde que Edwin Hubble y otros astrónomos, hace unos 100 años, midieron las velocidades de varias galaxias circundantes. Las galaxias del universo están siendo «separadas» por esta expansión y, por tanto, se están alejando unas de otras.

Cuanto mayor es la distancia entre dos galaxias, más rápido se separan, y la velocidad precisa de este movimiento es una de las cantidades más fundamentales de la cosmología moderna. El número que describe la expansión se llama constante de Hubble y aparece en muchas ecuaciones y modelos diferentes del universo y sus componentes.

Las galaxias son más o menos estacionarias en el espacio, pero el espacio mismo se está expandiendo. Esto hace que las galaxias se alejen unas de otras a un ritmo cada vez mayor. Sin embargo, exactamente qué tan rápido es un misterio. Crédito: ISO/L. Calada. Las galaxias son más o menos estacionarias en el espacio, pero el espacio mismo se está expandiendo. Esto hace que las galaxias se alejen unas de otras a un ritmo cada vez mayor. Sin embargo, exactamente qué tan rápido es un misterio. Crédito: ISO/L. Calada

Problema del Hubble

Para comprender el universo, debemos conocer la constante de Hubble con la mayor precisión posible. Hay varias formas de medirlo; Los métodos son mutuamente independientes pero afortunadamente dan casi el mismo resultado.

Es decir, es casi…

La forma intuitiva más fácil de entenderlo, en principio, es el mismo método que utilizaron Edwin Hubble y sus colegas hace un siglo: localizar un grupo de galaxias y medir sus distancias y velocidades. En la práctica, esto se hace buscando galaxias con estrellas en explosión, o las llamadas Supernovas. Este método se complementa con otro método que analiza las irregularidades en los llamados Radiación cósmica de fondo; Una antigua forma de luz que data de poco tiempo después. la gran explosión.

Los dos métodos, el método de supernova y el método de radiación de fondo, siempre dieron resultados ligeramente diferentes. Pero cualquier medición conlleva incertidumbres, y hace unos años las incertidumbres eran tan grandes que podíamos culpar a esas disparidades.

El hemisferio izquierdo muestra el remanente en expansión de la supernova descubierta por Tycho Brahe en 1572, visto aquí en rayos X (fuente: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). A la derecha hay un mapa de la radiación cósmica de fondo que emana de la mitad del cielo y que se observa en las microondas. Crédito: Equipo científico de NASA/WMAP

Sin embargo, a medida que las técnicas de medición han mejorado, las incertidumbres han disminuido y ahora hemos llegado a un punto en el que podemos afirmar con un alto grado de confianza que ninguna de las dos cosas puede ser cierta.

La raíz de este «problema del Hubble»: si efectos desconocidos sesgan sistemáticamente uno de los resultados o si apunta a una nueva física que aún no se ha descubierto, es actualmente uno de los temas más candentes en astronomía.

La persistente paradoja de Hubble

La expansión del universo se mide en “velocidad por distancia”, que es de poco más de 20 kilómetros por segundo por millón de años luz. Esto significa que una galaxia situada a 100 millones de años luz se aleja de nosotros a una velocidad de 2000 km/s, mientras que otra galaxia a 200 millones de años luz se aleja de nosotros a una velocidad de 4000 km/s.

Sin embargo, el uso de supernovas para medir distancias y velocidades de galaxias da como resultado 22,7 ± 0,4 km/s, mientras que el análisis de la radiación cósmica de fondo da como resultado 20,7 ± 0,2 km/s.

Prestar atención a un desacuerdo tan pequeño puede parecer aburrido, pero puede ser muy importante. Por ejemplo, el número aparece al calcular la edad del universo, y los dos métodos producen una edad de 12,8 y 13,8 mil millones de años, respectivamente.

Kilonova: un nuevo enfoque de medición

Uno de los mayores desafíos radica en determinar con precisión las distancias a las galaxias. Pero en un nuevo estudio, Albert Snippen, estudiante de doctorado en astrofísica en el Centro para el Amanecer Cósmico del Instituto Niels Bohr de Copenhague, propone una nueva forma de medir distancias, que podría ayudar a resolver la disputa en curso.

«Cuando dos estrellas de neutrones extremadamente compactas, a su vez restos de supernova, orbitan entre sí y finalmente se fusionan, explotan en una nueva explosión; esto se llama kilonova», explica Albert Snepen. «Recientemente hemos demostrado cuán notablemente simétrica es esta explosión, y Resulta que «Esta simetría no sólo es hermosa, sino que también es increíblemente útil».

en Tercer estudio Recién publicado, el prolífico estudiante de doctorado demuestra que las kilonovas, aunque complejas, pueden describirse con una sola temperatura. Resulta que la simetría y la simplicidad de la kilonova permiten a los astrónomos deducir exactamente cuánta luz emite.

Comparando este brillo con la cantidad de luz que llega a la Tierra, los investigadores pueden calcular a qué distancia está la kilonova. Obtuvieron así un método nuevo e independiente para calcular la distancia a las galaxias que contienen kilonovas.

Darach Watson es profesor asociado en el Cosmic Dawn Center y coautor del estudio. “Las supernovas, que se han utilizado hasta ahora para medir distancias entre galaxias, no siempre emiten la misma cantidad de luz”, explica. “Además, primero requieren que calibramos la distancia utilizando otro tipo de estrellas, llamadas estrellas cefeidas, que a su vez también debe calibrarse”. Usando kilonovas podemos evitar estas complicaciones que causan incertidumbre en las mediciones.

Resultados preliminares y pasos futuros

Para demostrar su potencial, los astrofísicos aplicaron este método a una kilonova descubierta en 2017. El resultado es una constante de Hubble más cercana al método de radiación de fondo, pero si el método de la kilonova es capaz de resolver el problema de Hubble, los investigadores aún no se atreven a decir:

«Hasta ahora sólo tenemos un estudio de caso y necesitamos más ejemplos antes de poder llegar a una conclusión sólida», advierte Albert Sneben. «Pero nuestro método evita al menos algunas fuentes conocidas de incertidumbre y es un sistema muy ‘limpio’ para estudiar. No requiere calibración ni factor de corrección.

Referencia: “Medición de la constante de Hubble en kilonovas utilizando el método de la fotosfera en expansión” por Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznanski, Oliver Gast, Andreas Bauszyn y Radoslaw Wojtak, 2 de octubre de 2023, Astronomía y astrofísica..
doi: 10.1051/0004-6361/202346306