Desde eventos raros de Maltem Senger hasta métodos estadísticos a gran escala, las observaciones de ondas gravitacionales allanan el camino para una comprensión más profunda del universo.
El profesor Archisman Ghosh es profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Gante. Se especializa en el análisis de datos de las ondas gravitacionales (GW), centrándose en la investigación que se centra en descubrir ideas sobre la física fundamental y la cosmología de las observaciones de GW. Su trabajo abarca detectores actuales, como la red Ligo-Virgo-Kagra (LVK) y el observatorio de próxima generación, como el Einstein Telescope y el Space Explorer. En los últimos años, el profesor Ghosh y su grupo de investigación han estado investigando cómo las observaciones de GW pueden ayudar a medir la constante de Hubble, la velocidad a la que se está expandiendo el universo de hoy.
¿Qué pregunta estás tratando de responder?
¡Todavía no está claro qué tan rápido se está expandiendo el universo! Durante la última década, ha surgido una discrepancia significativa entre las diferentes mediciones de la tasa de expansión del universo, que se realizó utilizando sondas locales e inferida del universo temprano. Este rompecabezas, conocido hoy como la famosa tensión del Hubble, puede referirse a errores sistemáticos desconocidos en las mediciones de vanguardia, o sugerir que los modelos cosmológicos actuales son incompletos.
Primero detectado directamente en 2015, las ondas gravitacionales proporcionan una forma innovadora e independiente de investigar el universo. Proporcionan una forma fresca y complementaria de medir las constantes de Hubble y otros parámetros básicos de la cosmología. A diferencia de los enfoques tradicionales, las mediciones basadas en GW no tienen la suposición de que la tensión soporta los métodos existentes. Esto abre oportunidades poderosas. GWS ayuda a resolver las tensiones de Hubble e iluminar la nueva física subyacente al universo en evolución (Figura 1).
¿Cómo pueden ayudar las ondas gravitacionales?
Observar las ondas gravitacionales es verdaderamente única. A diferencia de la mayoría de las observaciones electromagnéticas (EM), generalmente solo sensibles a la intensidad general de la luz promediada en muchos ciclos de fase, los detectores de GW capturan tanto la amplitud como la fase de la señal. Esto proporciona una fuente de información más rica.
Al fusionar binarios compactos, como agujeros negros y estrellas de neutrones, la evolución de la fase de señal codifica detalles importantes sobre el sistema, incluida la masa del objeto involucrado. La amplitud de una onda gravitacional disminuye con la distancia (particularmente una o más en el cuadrado de la distancia) de una manera bien entendida, lo que le permite medir directamente qué tan lejos está la fuente. Esto hará que estos sistemas fueran potentes «indicadores de distancia estándar». O, como se invoca en este contexto, una sirena estándar.
Sin embargo, las distancias de medición no son suficientes para determinar los parámetros cosmológicos, como las constantes de Hubble. También necesitas conocer el desplazamiento al rojo. Es cuánto está creciendo la frecuencia de la señal a medida que se expande el universo. El desplazamiento al rojo es difícil y a menudo imposible de determinar solo a los datos de GW. Aquí es donde la información complementaria se vuelve esencial.
Actualmente hay tres enfoques principales para obtener desplazamiento al rojo:
Sirena estándar brillante: si la fuente GW tiene una contraparte EM claramente identificada, como un destello de luz de una fusión estrella de neutrones, el desplazamiento al rojo se puede medir a partir de esa señal EM. Sectrum Siren: puede inferir estadísticamente la información de desplazamiento al rojo examinando cómo cambia la distribución de masa de origen observada debido al desplazamiento al rojo. Sirenas estándar oscuras: si no se observan contrapartes de EM, pero usted sabe qué área del cielo en el que ocurrió GW, puede usar el catálogo de Galaxy para que coincida con las posibles galaxias huésped con sus desplazamientos al rojo.
Hay otras formas innovadoras de estimar los desplazamientos al rojo, pero es probable que sean aplicables a detectores de GW más sensibles en el futuro.
¿Qué tipo de medidas se han tomado hasta ahora?
La fusión de las estrellas de neutrones binarios detectadas por la red Ligo-Virgo GW170817 marcó un momento innovador. Este fue el primer evento Golden Week con contrapartes brillantes EM observadas en múltiples longitudes de onda. Esto permitió a los astrónomos identificar rápidamente las galaxias anfitrionas y medir su desplazamiento al rojo. Utilizando esta información, obtuvimos la primera medición gravitacional basada en ondas de la constante del Hubble, aunque existe una incertidumbre relativamente amplia de aproximadamente el 14%, cuando se observa aproximadamente 100 eventos similares, la precisión es de aproximadamente 1.4%. Sin embargo, este evento multipenetral sigue siendo extremadamente raro. Hasta la fecha, el GW170817 es el único caso confirmado.
Mientras tanto, la atención se ha centrado en el espectro y las sirenas estándar oscuras. La mayoría de los eventos de onda gravitacional detectados previamente no tienen contrapartes electromagnéticas. Desde las primeras tres carreras de observación de la colaboración Ligo-Virgo-Kagra, tales eventos recopilaron alrededor de 90 eventos. La cuarta carrera actual de observación ya tiene eventos con más de 200 candidatos, pero no hay homólogos de EM confirmados.
A pesar de la falta de información directa de desplazamiento al rojo, estos eventos no son inútiles. Al aplicar métodos de sirena espectral y oscura, la información cosmológica se puede extraer estadísticamente de la población de detección creciente. 3,4,5,6 eventos individuales proporcionan solo pequeñas partes del rompecabezas, pero gradualmente construyen imágenes más claras y proporcionan una forma poderosa de contribuir a la medición de las constantes de Hubble sin luz.
¿En qué investigación se centra su grupo?
Uno de los principales desafíos del uso de sirenas oscuras es la incompletitud grave del catálogo de Galaxy. La mayoría de los catálogos existentes proporcionan información confiable de desplazamiento al rojo hasta Z≈0.25 para la mayoría del vacío. Sin embargo, las fuentes de GW ya se detectan desde distancias mucho más lejos, y este rango continúa aumentando a medida que aumenta la sensibilidad de la red de detector LVK. Para aprovechar al máximo estas fuentes más alejadas como sirenas estándar oscuras, debe observar los trazadores alternativos de desplazamiento al rojo.
Mi grupo está investigando activamente el uso de grupos de galaxias y galaxias brillantes como tales alternativas. Estos objetos parecen ser un desplazamiento rojo significativamente más alto, y casi rastrean la distribución de material subyacente asociada con la localización de las fuentes de ondas gravitacionales, pero este nivel de precisión es suficiente. Esto se debe a que existe una incertidumbre relativamente grande en las mediciones de distancia de los GWS, generalmente alrededor del 10%.
Un estudio reciente mostró que un catálogo de clúster de galaxia construido con el efecto Sunyaev-Zel’dovich sobre el fondo de microondas cósmico (CMB) puede mejorarse en un 10% y un 40% respectivamente utilizando encuestas de rayos X (Fig. 2). (Figura 3). Estos son resultados prometedores de investigaciones tempranas y actualmente están desarrollando y probando rigurosamente estos métodos para establecerlos como una tubería de análisis de datos robusta y viable.
Este enfoque no solo es útil, es esencial ya que las redes LVK se vuelven más sensibles y las estaciones observatorias de próxima generación como Einstein Telescope (ET) y Cosmic Explorer (CE) entran en línea.
¿Crees que las ondas gravitacionales resolverán la tensión de Hubble en los próximos años?
Creemos que las ondas gravitacionales proporcionan información valiosa e independiente que ayudará a aclarar las tensiones de Hubble. Es importante destacar que no es necesario que las mediciones basadas en GW alcancen la precisión del 1% para que las impacten. Incluso si hay incertidumbre en un nivel de pocos por ciento, es posible que comencemos a estar de acuerdo con un lado de la tensión actual.
Sin embargo, es difícil predecir con precisión cuándo ocurrirá esto. La línea de tiempo depende de varios factores, incluido el número de detecciones y la naturaleza de la fuente. Sin embargo, el progreso puede acelerarse aumentando el número de eventos GW que pueden usarse para el razonamiento cosmológico, particularmente a través de métodos como el uso de trazadores alternativos de desplazamiento al rojo.
Una tarea importante es identificar y controlar todas las fuentes potenciales de errores sistemáticos y no controlar la incertidumbre estadística. Esta no es una hazaña pequeña, pero la comunidad ya está muy involucrada en este esfuerzo y estamos contribuyendo activamente.
Las mediciones de onda gravitacional son esencialmente independientes de los métodos tradicionales. La fuente de errores sistemáticos en las observaciones de la semana dorada es completamente diferente de las que afectan las mediciones electromagnéticas existentes. Además, GWS permite mediciones de distancia directa en cualquier desplazamiento al rojo sin la necesidad de anclajes locales o altos de desplazamiento al rojo. Esto significa que solo podemos medir las tasas de expansión locales (constantes de boscos) y comenzar a examinar directamente los parámetros de Hubble dependientes del tiempo (la historia de expansión completa del universo).
Los futuros detectores nos llevarán aún más lejos. Nos permiten explorar la «edad oscura» del universo, una era desde la cual importantes señales electromagnéticas no nos alcanzan. Las ondas gravitacionales son el único mensajero que investiga directamente este capítulo invisible de la historia del universo.
referencia
B. F. Schutz, Nature 323 (1986) 310–311. BP Abbott et al. , Nature 551 (2017), no. 7678 85–88. BP Abbott et al. , Astrophys. J. 909 (2021), no. 2218. R. Abbott et al. , Astrophys. J. 949 (2023), no. 276. R. Gray et al. , JCAP 12 (2023) 023. S. Mastrogiovanni et. Alabama. , Phys. Rev. D 108 (2023), no. 4042002. F. Beirnaert et al. , ARXIV: 2505.14077 (Astro-ph.co). K. Naveed et al. , ARXIV: 2505.11268 (Astro-Ph.CO).
Este artículo también se presentará en la 22ª edición de trimestralmente Publicación.
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