Impresión artística de la explosión y explosión de ondas gravitacionales emitidas cuando un par de estrellas de neutrones superdensas colisionan. Nuevas observaciones con radiotelescopios muestran que tales eventos se pueden utilizar para medir la tasa de expansión del Universo. Crédito: NRAO / AUI / NSF

¿A qué velocidad se expande el universo? No lo sabemos con seguridad.

Los astrónomos estudian la expansión cósmica midiendo la constante de Hubble. Han medido esta constante de varias maneras diferentes, pero algunos de sus resultados no concuerdan entre sí. Este desacuerdo, o tensión, en la constante de Hubble es una creciente controversia en astronomía. Pero las nuevas observaciones de estrellas de neutrones en colisión podrían proporcionar una solución.

Únase a nuestra anfitriona Melissa Hoffman, del Observatorio Nacional de Radioastronomía, mientras explica cómo los astrónomos están utilizando la radioastronomía y las ondas gravitacionales para responder a este misterio cósmico.

Los astrónomos que utilizan radiotelescopios de la National Science Foundation (NSF) han demostrado cómo una combinación de ondas gravitacionales y observaciones de radio, junto con modelos teóricos, puede convertir las fusiones de pares de estrellas de neutrones en un «gobernante cósmico» capaz de medir la expansión del Universo y resolver una cuestión pendiente sobre su velocidad.

Los astrónomos utilizaron el Very Long Baseline Array (VLBA) de la NSF, el Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) y el Robert C. Telescopio Byrd Green Bank (GBT) para estudiar las consecuencias de la colisión de dos estrellas de neutrones que produjeron ondas gravitacionales detectadas en 2017. Este evento ofreció una nueva forma de medir la tasa de expansión del Universo, conocida por los científicos como la Constante de Hubble. La tasa de expansión del Universo se puede utilizar para determinar su tamaño y edad, así como servir como una herramienta esencial para interpretar observaciones de objetos en otras partes del Universo.

Las observaciones de radio de un chorro de material expulsado a raíz de la fusión de neutrones y estrellas fueron clave para permitir a los astrónomos determinar la orientación del plano orbital de las estrellas antes de su fusión, y por lo tanto el «brillo» de las ondas gravitacionales emitidas en dirección a la Tierra. Esto puede hacer de estos eventos una nueva herramienta importante para medir la tasa de expansión del Universo. Crédito: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Dos métodos principales para determinar la Constante de Hubble utilizan las características del Fondo Cósmico de Microondas, la radiación sobrante del Big Bang o un tipo específico de explosiones de supernova, llamadas Tipo Ia, en el Universo distante. Sin embargo, estos dos métodos dan resultados diferentes.

«La fusión de estrellas de neutrones nos da una nueva forma de medir la Constante de Hubble y, con suerte, de resolver el problema», dijo Kunal Mooley, del Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO) y Caltech.

La técnica es similar a la de las explosiones de supernova. Se cree que todas las explosiones de supernova de tipo Ia tienen un brillo intrínseco que se puede calcular en función de la velocidad a la que se iluminan y luego se desvanecen. Medir el brillo visto desde la Tierra indica la distancia a la explosión de la supernova. La medición del desplazamiento Doppler de la luz de la galaxia anfitriona de la supernova indica la velocidad a la que la galaxia se está alejando de la Tierra. La velocidad dividida por la distancia produce la constante de Hubble. Para obtener una cifra precisa, muchas de estas mediciones deben hacerse a diferentes distancias.

Cuando dos estrellas masivas de neutrones chocan, producen una explosión y una ráfaga de ondas gravitacionales. La forma de la señal de onda gravitacional le dice a los científicos cuán «brillante» fue esa explosión de ondas gravitacionales. Medir el «brillo» o la intensidad de las ondas gravitacionales tal como se reciben en la Tierra puede producir la distancia.

«Este es un medio de medición completamente independiente que esperamos pueda aclarar cuál es el verdadero valor de la constante de Hubble», dijo Mooley.

sin Embargo, hay un giro. La intensidad de las ondas gravitacionales varía con su orientación con respecto al plano orbital de las dos estrellas de neutrones. Las ondas gravitacionales son más fuertes en la dirección perpendicular al plano orbital, y más débiles si el plano orbital está en el borde como se ve desde la Tierra.

«Para usar las ondas gravitacionales para medir la distancia, necesitábamos conocer esa orientación», dijo Adam Deller, de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia.

Durante un período de meses, los astrónomos utilizaron los radiotelescopios para medir el movimiento de un chorro superrápido de material expulsado de la explosión. «Utilizamos estas mediciones junto con simulaciones hidrodinámicas detalladas para determinar el ángulo de orientación, lo que permitió el uso de las ondas gravitacionales para determinar la distancia», dijo Ehud Nakar de la Universidad de Tel Aviv.

Esta medición única, de un evento a unos 130 millones de años luz de la Tierra, aún no es suficiente para resolver la incertidumbre, dijeron los científicos, pero la técnica ahora se puede aplicar a futuras fusiones de estrellas de neutrones detectadas con ondas gravitacionales.

«Creemos que otros 15 eventos de este tipo que se pueden observar tanto con ondas gravitacionales como con gran detalle con radiotelescopios, pueden resolver el problema», dijo Kenta Hotokezaka, de la Universidad de Princeton. «Esto sería un avance importante en nuestra comprensión de uno de los aspectos más importantes del Universo», añadió.

El equipo científico internacional liderado por Hotokezaka está reportando sus resultados en la revista Nature Astronomy.Referencia: «A Hubble constant measurement from superluminal motion of the jet in GW170817» por K. Hotokezaka, E. Nakar, O. Gottlieb, S. Nissanke, K. Masuda, G. Hallinan, K. P. Mooley y A. T. Deller, 8 de julio de 2019, Nature Astronomy.DOI: 10.1038 / s41550-019-0820-1

El Observatorio Radioastronómico Nacional es una instalación de la Fundación Nacional de Ciencias, operada bajo un acuerdo de cooperación de Associated Universities, Inc.