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

Sabemos que el universo se está expandiendo y tenemos una idea bastante clara de qué tan rápido se está expandiendo, pero no sabemos la velocidad exacta. Esto se debe a los diferentes métodos que tenemos para medir la tasa de expansión cósmica. seguir dándonos resultados ligeramente diferentes. Es un problema persistente que preocupa a los astrónomos, por lo que mientras trabajan para garantizar que los métodos actuales sean precisos, también buscan nuevas formas de medir la expansión cósmica. Una de estas nuevas vías involucra ondas gravitacionales.

Los observatorios de ondas gravitacionales como Virgo y LIGO se han vuelto bastante buenos para detectar fusiones de agujeros negros binarios. Observaron casi cien fusiones, y de cada fusión, los astrónomos pueden calcular cosas como la masa y la rotación de cada agujero negro. Lo que es más difícil de determinar es cuán separadas fueron las fusiones.

Los valores medidos por Hubble no concuerdan. Crédito: Wendy Freedman

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 expande un poco a medida que la luz viaja desde la galaxia hacia nosotros, y esto estira la longitud de onda de la luz, moviéndola hacia el extremo rojo del espectro. Cuanto más lejos está la galaxia, más tarda la luz en llegar hasta nosotros y más se desplaza hacia el rojo. Es por eso que podemos usar el corrimiento al rojo como una medida de la distancia galáctica. Algo similar sucede con las ondas gravitacionales.

Cuando una fusión de agujeros negros crea ondas gravitacionales, estas ondas viajan a la velocidad de la luz. Por lo tanto, las ondas gravitacionales tardan tanto en alcanzarnos como la luz. Y al igual que la luz, a medida que el universo se expande, las ondas gravitacionales se «desplazan hacia el rojo». Pero en lugar de cambiar el color, el cambio hace que la mezcla sea más lenta. Entonces, el desplazamiento hacia el rojo de las ondas gravitacionales hace que los agujeros negros fusionados parezcan un poco más masivos de lo que realmente son. En un nuevo estudio, los autores proponen utilizar este efecto para medir la tasa de expansión cósmica.

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

El proceso sería similar a cómo 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 las masas de las casas negras. El espectro 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 separados como para ser desplazados hacia el rojo. Al comparar el espectro de masas de los agujeros negros cercanos con el de los agujeros más distantes, los astrónomos podrán calibrar la tasa de expansión cósmica. Los autores llaman a esto el método de las sirenas espectrales y argumentan que las fusiones locales de agujeros negros podrían usarse como sirenas estándar.

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

Referencia: Ezquiaga, José María and Daniel E. Holz. «Sirenas espectrales: cosmología a partir de la distribución masiva completa de binarias compactas.” Cartas de exploración física 129.6 (2022): 061102.

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