Los agujeros negros pueden decirnos la tasa de expansión del Universo

Los astrónomos han descubierto una nueva forma de determinar la tasa de expansión actual del Universo, conocida como la constante de Hubble. Un artículo recientemente sobre arXiv, y aceptado para su publicación en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, describe un método para utilizar observaciones de rayos X de agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias distantes que están devorando enormes cantidades de gas, conocido como núcleos galácticos activos. Esto podría resolver una disputa en curso entre los dos métodos existentes, que discrepan sobre la edad del Universo por más de mil millones de años.

Impresión artística del disco de acreción de material que orbita un agujero negro supermasivo. Los rayos X brillan en el disco de acreción y luego resurgen diferentes colores (energías) en diferentes momentos según la distancia desde el agujero negro. Esto se puede usar para medir qué tan brillante es el disco de acreción, lo que permite a los astrónomos estimar la distancia al objeto en función de qué tan brillante parece ser. Crédito de la imagen: Filippo Brambilla

El Universo comenzó con el Big Bang y se ha expandido desde entonces, pero no a un ritmo constante. La constante de Hubble es la tasa de expansión actual. Dado que todos los puntos del Universo se alejan de todos los demás puntos, las galaxias más distantes se alejan unas de otras con mayor rapidez. Piense en los puntos dibujados en un globo que se alejan unos de otros a medida que el globo se infla. Podemos medir la velocidad a la que otras galaxias se alejan de nosotros con bastante facilidad gracias al corrimiento al rojo de su luz, pero medir la distancia a las galaxias es muy difícil. El método tradicional consiste en buscar explosiones de supernovas de una variedad particular. Dado que estas supernovas brillan con un brillo conocido, la distancia se puede inferir de cuán débiles parecen ser en la Tierra. El otro método estándar para medir la constante de Hubble es completamente diferente: implica un modelado teórico del resplandor de radiación del Big Bang. El problema es que las supernovas indican que el Universo se está expandiendo más rápido que el modelado de la radiación del resplandor. La expansión se puede extrapolar hacia atrás en el tiempo para determinar cuándo comenzó el Universo. Las supernovas implican que esto fue hace menos de 13 mil millones de años, mientras que el modelo de resplandor del Big Bang implica que fue hace casi 14 mil millones de años.

Algo tiene que ceder. Podría ser simplemente que las supernovas brillan un poco más de lo que se piensa actualmente, y solo parecen ser muy débiles porque están más distantes. O podría ser que al modelo cosmológico estándar del Universo le falte una parte importante de la física. Los nuevos métodos de medición de la constante de Hubble son vitales para decidir entre estas dos eventualidades.

El artículo de hoy muestra que podemos medir la constante de Hubble determinando la distancia a los agujeros negros supermasivos. En los núcleos galácticos activos que los albergan, el material gira en espiral en un disco hacia el agujero negro. Muy cerca del agujero negro, el material se calienta tanto que resplandece de forma extremadamente intensa en los rayos X. Estos rayos X brillan sobre el resto del disco y lo calientan. El nuevo estudio ha desarrollado una forma de medir la temperatura del disco, utilizándolo como sensor para medir el brillo real de la región emisora ​​de rayos X. Una vez que conocemos el brillo real, podemos medir la distancia de cuán débiles aparecen los rayos X desde la Tierra.

Los autores muestran que las enormes cantidades de datos ya recopilados por dos observatorios de rayos X en órbita, el XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea y el NuSTAR de la NASA, pueden reutilizarse para medir la constante de Hubble con suficiente precisión para decidir cuál de los dos métodos. lo tiene bien. Es la combinación de estos dos telescopios lo que permite medir la temperatura del disco. NuSTAR detecta los rayos X de mayor energía que dispersaron los electrones libres en el disco y XMM detecta los rayos X de menor energía que fueron absorbidos y reemitidos por los átomos en el disco. La temperatura del disco se puede inferir comparando estos dos procesos. NuSTAR también es vital porque está muy bien calibrado: los telescopios de rayos X funcionan contando cuántos fotones de rayos X impactan en el detector, pero algunos fotones simplemente pasan directamente a través del detector sin ser contados. Los detectores NuSTAR se conocen muy bien, lo que significa que sabemos qué fracción de los fotones de rayos X los atraviesa con mayor precisión que cualquier otro observatorio de rayos X actualmente activo. Esto nos permite averiguar qué tan tenue es realmente la señal de rayos X de cada agujero negro distante.

El autor principal, el Dr. Adam Ingram, comenta: "Debido a que nuestro nuevo método es completamente independiente de todos los demás, nos da una manera de determinar si se necesita o no una nueva teoría para explicar la historia del Universo. El trabajo comienza ahora para realizar la medición analizando todas estas observaciones ”.

Se pueden encontrar más detalles en el artículo publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: https://academic.oup.com/mnras/article/509/1/619/6400123

• Publicado en NuSTAR el 10 de noviembre del 2021, enlace publicación.