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Una ilustración inspirada en el próximo detector LISA de la Agencia Espacial Europea, con ondas gravitacionales ondeando en el fondo. Estudiar el débil zumbido de las ondas gravitacionales en todo el universo podría ayudar a resolver la tensión de Hubble, uno de los mayores problemas persistentes de la física. | Crédito: ESA
Los físicos pueden tener una forma completamente nueva de calibrar la tasa de expansión del universo, uno de los mayores misterios pendientes de la cosmología, utilizando ondas espacio-temporales. predicho por Einstein.
Un nuevo estudio sugiere que el tenue fondo de ondas gravitacionales producido por numerosos agujeros negros fusionados en todo el universo se puede utilizar para calibrar de forma independiente qué tan rápido se expande el espacio. Incluso sin detectar este “zumbido” de fondo directamente, los investigadores muestran que ya impone límites a la constante de Hubble, una cantidad secreto en el corazón de uno de los mayores enigmas de la cosmología moderna.
Si se confirma, la técnica podría resolver el debate sobre si necesitamos idear una nueva física para explicar la naturaleza del universo.
Una prueba independiente de la constante de Hubble
La tasa de expansión del universo, codificada en la constante de Hubble, se ha convertido en el foco de atención. intenso debate en los últimos abriles. Mediciones basadas en el universo primitivo, como las que se infieren a partir de la radiación sobrante del universo gran crisis (conocido como fondo cósmico de microondas), no están de acuerdo con las mediciones derivadas de objetos más cercanos, como supernovas y galaxias parpadeantes. Esta discrepancia, conocida como tensión de Hubble, ha corto ahora una gran importancia estadística.
“La tensión de Hubble es uno de los problemas abiertos más importantes en cosmología”, Chiara Mingarellidijo a Live Science por correo electrónico un profesor asistente de física en la Universidad de Yale que no participó en el nuevo estudio. “Las mediciones de la tasa de expansión del Universo temprano y del Universo tardío no coinciden en más de 5 sigma [the “gold standard” of statistical significance in physics]y no sabemos por qué. O hay un error sistemático no identificado o nueva física. Cualquier medición genuinamente independiente de la tasa de expansión es extremadamente valiosa”.
La nueva investigación, aceptada para publicación en la revista Physical Review Letters y adecuado como preimpresiónpropone un método independiente basado casi exclusivamente en ondas gravitacionales: ondas sutiles en el tejido del espacio-tiempo. predicho por la teoría de la relatividad militar de Einstein.
“Este resultado es muy significativo”, afirma el coautor del estudio. Nicolas Yunesdijo un profesor de astrofísica de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, en un información. “Nuestro método es una forma innovadora de mejorar la precisión de las inferencias constantes de Hubble utilizando ondas gravitacionales”.
Escuchando el zumbido de fondo de los agujeros negros
Desde 2015, detectores como el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO), el interferómetro Himen y el Detector de Ondas Gravitacionales Kamioka (KAGRA) han observado docenas de fusiones de agujeros negros individuales a través de ondas gravitacionales. Cada fusión proporciona información sobre las masas de los agujeros negros involucrados y sus distancias a la Tierra.
Las ondas gravitacionales se liberan cuando dos objetos masivos, como los agujeros negros, chocan (ilustrado aquí). Los físicos creen que el universo vibra con un leve ruido de fondo proveniente de innumerables colisiones de agujeros negros que son demasiado débiles para detectarlos, una característica llamamiento fondo de ondas gravitacionales. | Crédito: NASA Goddard
“Conveniente a que estamos observando colisiones individuales de agujeros negros, podemos determinar las tasas de esas colisiones que ocurren en todo el universo”, dijo el autor principal del estudio. Primos Brycedijo en el comunicado un estudiante de posgrado de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. “Basándonos en esas tasas, esperamos que haya muchos más eventos que no podemos observar, lo que se vehemencia fondo de ondas gravitacionales”. Este fondo de ondas gravitacionales, a veces descrito como una señal estocástica (o aleatoria), es el débil objeto colectivo de numerosas fusiones distantes. Su fuerza militar depende de la ligereza con la que se expande el universo. Una expansión más lenta implica mayores volúmenes cósmicos y, luego, más fusiones que contribuyen al trasfondo.
“Es una idea inteligente”, dijo Mingarelli. “El fondo de ondas gravitacionales (el zumbido colectivo de fusiones de agujeros negros distantes, demasiado débil para detectarlo individualmente) depende de la tasa de expansión. Una expansión más lenta significa volúmenes más grandes, más fusiones y un fondo más resistente. Así que incluso la no detección de este fondo desfavorece los títulos bajos de la constante de Hubble”.
Utilizando datos actuales de detectores de ondas gravitacionales, el equipo demostró que la abandono de un fondo detectado ya descarta algunos títulos más bajos de la constante de Hubble. Si correctamente las limitaciones actuales son amplias, el método establece un nuevo situación para la inferencia cosmológica.
Una nueva útil para la cosmología
El enfoque se sostén en el concepto de “sirenas típico”, en las que los eventos individuales de ondas gravitacionales actúan como marcadores de distancia. Pero en empleo de necesitar de eventos brillantes únicos, el nuevo método explota toda la población no resuelta de agujeros negros en colisión.
“No todos los días se nos ocurre una útil completamente nueva para la cosmología”, afirma el coautor del estudio. Daniel Holzdijo en el comunicado un profesor de física y astronomía de la Universidad de Chicago. “Demostramos que utilizando el zumbido de fondo de las ondas gravitacionales provenientes de la fusión de agujeros negros en galaxias distantes, podemos formarse sobre la antigüedad y la composición del universo.
Una ilustración de las ondas gravitacionales emitidas por la colisión de un agujero adverso. | Crédito: NASA/C. henze
“Esta es una dirección emocionante y completamente nueva, y esperamos aplicar nuestros métodos a futuros conjuntos de datos para ayudar a recortar la constante de Hubble, así como otras cantidades cosmológicas secreto”, añadió Holz.
Si correctamente el nuevo método parece prometedor, Mingarelli además enfatizó las limitaciones actuales. “La principal delantera es que se alcahuetería de una medición basada casi exclusivamente en ondas gravitacionales, independiente de la escalera de distancias electromagnéticas y del fondo cósmico de microondas”, dijo Mingarelli. “La valla es que las incertidumbres siguen siendo grandes y el resultado depende del maniquí de población de agujeros negros supuesto. Pero los autores son sinceros al respecto y muestran que sus elecciones son conservadoras”.
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Mirando en torno a delante, actualizaciones del detector Se prórroga que mejoren significativamente la sensibilidad al fondo de ondas gravitacionales.
“Con las actualizaciones planificadas de los detectores, el fondo debería detectarse en el interior de unos pocos abriles, pasando de un contorno inferior a una medición positivo”, dijo Mingarelli.
Si tiene éxito, este método de sirena estocástica podría convertirse en una nueva y poderosa útil para sondear la historia de la expansión del universo e investigar si la tensión del Hubble indica nueva física o errores sistemáticos ocultos en las mediciones existentes.
