La colisión de agujeros negros proporciona otra forma de medir la distancia en el universo

Sabemos que el universo se está expandiendo y tenemos una buena idea de qué tan rápido se está expandiendo, pero no sabemos la velocidad exacta. Esto se debe a las diferentes formas que tenemos de medir la tasa de expansión cósmica. Sigue dándonos resultados ligeramente diferentes.. Es un problema molesto que están creando los astrónomos, por lo que, si bien han trabajado para garantizar la precisión de los métodos actuales, también han buscado nuevas formas de medir la expansión cósmica. Uno de estos nuevos métodos involucra ondas gravitacionales.

Los observatorios de ondas gravitacionales como Virgo y LIGO se han vuelto muy buenos para detectar fusiones de agujeros negros binarios. Han observado casi cien fusiones y, a partir de cada fusión, los astrónomos pueden calcular cosas como la masa y el giro de cada agujero negro. Lo más difícil es determinar hasta dónde llegan las fusiones.

Los valores del Hubble medidos no concuerdan. Crédito: Wendy Friedman

Cuando observamos una galaxia lejana, su luz parece más roja de lo que realmente es. Este corrimiento al rojo es causado por la expansión cósmica. El universo se estira ligeramente durante el tiempo que la luz viaja desde la galaxia hasta nosotros, y esto estira la longitud de onda de la luz, desplazándola hacia el extremo rojo del espectro. Cuanto más lejos está una galaxia, más tarda la luz en llegar hasta nosotros y más desplazada hacia el rojo está. Es por eso que podemos usar el corrimiento al rojo como una medida de la distancia de la galaxia. Algo similar sucede con las ondas gravitacionales.

Cuando la fusión de un agujero negro produce ondas gravitacionales, estas ondas viajan a la velocidad de la luz. Entonces, las ondas gravitacionales tardan la misma cantidad de tiempo en llegar a nosotros como luz. Y al igual que la luz, a medida que el universo se expande, las ondas gravitacionales se «desplazan al rojo». Pero en lugar de cambiar el color, este cambio hace que la fusión parezca más lenta. Entonces, el desplazamiento hacia el rojo de la onda gravitacional hace que los agujeros negros que se fusionan parezcan un poco más grandes de lo que realmente son. En un nuevo estudio, los autores proponen usar este efecto para medir la tasa de expansión cósmica.

Las fusiones de agujeros negros son detectadas por ondas gravitacionales. Crédito: LIGO-Virgo/Aaron Geller/Northwestern

El proceso será similar a la forma en que usamos las supernovas como velas estándar. Hemos observado muchas fusiones de agujeros negros en el universo local, por lo que tenemos una buena idea de la distribución de masas negras en casa. Espectrometría de masas, por así decirlo. A medida que LIGO y otros observatorios de ondas gravitacionales se vuelvan más sensibles, podremos detectar fusiones más distantes. Estos estarán lo suficientemente lejos como para que se desplacen hacia el rojo. Al comparar los espectros de masas de los agujeros negros cercanos con los de los distantes, los astrónomos podrán calibrar la tasa de expansión cósmica. Los autores llaman a este método el método de la sirena espectral y argumentan que las fusiones locales de agujeros negros pueden usarse como sirenas estándar.

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Al principio, este método no sería muy preciso. Incluso con unos pocos cientos de agujeros negros locales, la incertidumbre sobre las sirenas estándar sería demasiado grande para resolver el problema de la expansión cósmica. Pero con el tiempo puede volverse lo suficientemente sutil. Todavía estamos en las primeras etapas de la astronomía de ondas gravitacionales, y todavía hay mucho que aprender si escuchamos el canto de los silbatos gravitacionales.

Referencia: Ezquiaga, José María, and Daniel E. Holz. «Sirenas espectrales: la cosmología de la distribución masiva completa de diodos compactos. » mensajes de revisión física 129.6 (2022): 061102.

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