Un nuevo método puede resolver la dificultad de medir la expansión del universo.

Fusiones de estrellas de neutrones para medir la expansión del universo.

La impresión artística de la explosión y el estallido de las ondas gravitacionales emitidas cuando un par de estrellas de neutrones superdensas chocan. Nuevas observaciones con radiotelescopios muestran que tales eventos pueden usarse para medir la tasa de expansión del Universo. Crédito: NRAO / AUI / NSF.

Los astrónomos que utilizan los radiotelescopios de la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) han demostrado cómo una combinación de observaciones de ondas gravitacionales y de radio, junto con un modelo teórico, puede convertir las fusiones de pares de estrellas de neutrones en una "regla cósmica" capaz de medir la expansión de la Universo y resolviendo una cuestión pendiente sobre su tasa.

Los astrónomos usaron el Very Long Baseline Array (VLBA) de la NSFel Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) y el telescopio Robert C. Byrd Green Bank (GBT) para estudiar las consecuencias de la colisión de dos estrellas de neutrones que produjeron holas gravitatorias 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 puede usarse para determinar su tamaño y edad, así como servir como una herramienta esencial para interpretar observaciones de objetos en otras partes del Universo.

Dos métodos principales para determinar la Constante de Hubble utilizan las características del Fondo de Microondas Cósmico, 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 la estrella de neutrones nos brinda una nueva forma de medir la constante de Hubble y, con suerte, de resolver el problema", dijo Kunal Mooley, del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) y Caltech.

La técnica es similar a la que utiliza las explosiones de supernova. Se cree que todas las explosiones de supernova tipo Ia tienen un brillo intrínseco que puede calcularse en función de la velocidad a la que se iluminan y luego se desvanecen. La medición del 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 aleja de la Tierra. La velocidad dividida por la distancia produce la constante de Hubble. Para obtener una cifra precisa, muchas de estas mediciones deben realizarse a diferentes distancias.

Cuando dos estrellas de neutrones masivos chocan, producen una explosión y un estallido de ondas gravitacionales. La forma de la señal de onda gravitacional les dice a los científicos cuán "brillante" fue esa explosión de ondas gravitacionales. La medición del "brillo" o la intensidad de las ondas gravitacionales recibidas en la Tierra puede generar la distancia.

Las observaciones de radio de un chorro de material expulsado tras la fusión de la estrella de neutrones fueron fundamentales para permitir que los astrónomos determinaran la orientación del plano orbital de las estrellas antes de su fusión, y por lo tanto el "brillo" de las ondas gravitacionales emitidas en La dirección de la tierra. Esto puede hacer que tales eventos sean una nueva herramienta importante para medir la tasa de expansión del Universo. Crédito: Sophia Dagnello, NRAO / AUI / NSF

"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 es de borde como se ve desde la Tierra.

"Para usar las ondas gravitacionales para medir la distancia, necesitamos conocer esa orientación", dijo Adam Deller, de la Universidad de Tecnología de Swinburne en Australia.

Durante un período de meses, los astrónomos usaron los radiotelescopios para medir el movimiento de un chorro de material súper rápido expulsado de la explosión. "Utilizamos estas medidas junto con simulaciones hidrodinámicas detalladas para determinar el ángulo de orientación, lo que permite el uso de las ondas gravitacionales para determinar la distancia", dijo Ehud Nakar de la Universidad de Tel Aviv.

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

"Creemos que otros 15 eventos similares que se pueden observar tanto con ondas gravitacionales como con gran detalle con los 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", agregó.

El equipo científico internacional liderado por Hotokezaka informa sus resultados en la revista Nature Astronomy, enlace artículo.

El Observatorio Nacional de Radioastronomía es una instalación de la Fundación Nacional de Ciencia, operada bajo un acuerdo cooperativo por Associated Universities, Inc.

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Dave Finley, oficial de información pública
(575) 835-7302

• Publicado en NRAO el 8 de julio del 2.019, enlace publicación.

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