Cómo las ondas gravitacionales pueden resolver el debate sobre la velocidad de expansión del universo

La constante de Hubble es el parámetro que determina la velocidad con la que el universo se expande. Su valor permite calcular a qué ritmo las galaxias se alejan unas de otras y, por tanto, reconstruir la historia y el tamaño del cosmos. Este número, expresado en kilómetros por segundo por megapársec (km/s/Mpc), es fundamental para estimar la edad del universo y su evolución futura.

El cálculo de la constante de Hubble, a través de métodos como la observación de supernovas y el análisis del fondo cósmico de microondas, ha arrojado resultados discordantes en diversas mediciones, generando la llamada tensión de Hubble, una discrepancia que desafía la comprensión actual sobre la expansión universal.

Recientemente, un estudio científico publicado en la revista científica Physical Review Letters y difundido por el sitio especializado Sci.News, describe un nuevo método para abordar este problema empleando el fondo estocástico de ondas gravitacionales.

El trabajo, realizado por investigadores de la Universidad de Illinois y la Universidad de Chicago según cita Sci.News, introduce la llamada “sirena estocástica” para afinar la estimación de la constante de Hubble de manera independiente a los métodos tradicionales.

La tensión de Hubble: discrepancias en la medición de la expansión

El cálculo de la constante de Hubble, que mide cuántos kilómetros por segundo se expanden las distancias entre galaxias por cada megapársec de separación, ha generado una discrepancia conocida como tensión de Hubble.

Los métodos basados en observaciones del universo temprano, como el fondo cósmico de microondas, tienden a situar el valor entre 67 y 68 km/s/Mpc, mientras que los análisis de supernovas o galaxias cercanas arrojan cifras más altas, entre 72 y 74 km/s/Mpc.

Esta diferencia excede el margen de error y persiste incluso al perfeccionar los métodos, convirtiéndose en uno de los problemas abiertos de la cosmología.

Algunos científicos interpretan esta discrepancia como posible señal de nueva física, quizás relacionada con la energía oscura o interacciones desconocidas de la materia oscura. Antes de modificar los modelos existentes, es esencial contar con mediciones completamente independientes que permitan verificar los resultados y descartar errores sistemáticos.

Las ondas gravitacionales como herramienta cosmológica

La detección directa de ondas gravitacionales ha transformado la cosmología durante la última década. Estas ondulaciones en el espacio-tiempo, generadas por colisiones de objetos densos como agujeros negros o estrellas de neutrones, permiten medir distancias cósmicas sin depender de la calibración astronómica tradicional. Los observatorios LIGO, Virgo y KAGRA han registrado decenas de estos eventos desde 2015.

Las ondas gravitacionales ofrecen una vía directa para calcular distancias mediante la amplitud de la señal recibida, lo que ha llevado a denominar estos eventos como “sirenas estándar”. Si se identifica el corrimiento al rojo de la galaxia asociada a la fusión, es posible estimar la constante de Hubble. Sin embargo, muchas fusiones detectadas no producen señales luminosas visibles, lo que reduce la precisión de este método.

El fondo de ondas gravitacionales y el concepto de “sirena estocástica”

El estudio citado introduce una estrategia diferente: aprovechar no solo las fusiones detectadas individualmente, sino también el fondo de ondas gravitacionales. Este fondo constituye una señal difusa proveniente de innumerables colisiones de agujeros negros demasiado débiles o lejanas para ser observadas por separado, formando un murmullo gravitacional colectivo. Aunque cada evento aislado sea indetectable, su suma genera un patrón estadístico mensurable.

El trabajo propone emplear este fondo como una “sirena estocástica”, combinando la información del fondo de ondas gravitacionales con el análisis poblacional de fusiones individuales. La intensidad del fondo depende del número total de fusiones a lo largo de la historia cósmica y del volumen del universo donde ocurrieron, variables directamente ligadas a la expansión universal.

Relación entre el fondo gravitacional y la constante de Hubble

El método parte de una relación clave: si la constante de Hubble es menor, el universo tiene volúmenes comóviles mayores para un mismo corrimiento al rojo, lo que implica más fusiones de agujeros negros en el volumen observable y, por tanto, un fondo gravitacional más intenso.

Si los detectores no observan un fondo tan intenso como el que correspondería a ciertos valores de H₀, esos valores pueden descartarse. La ausencia de detección también contiene información relevante para la cosmología.

El análisis se refuerza al combinar fusiones individuales detectadas con los límites actuales sobre la intensidad del fondo gravitacional, lo que permite refinar las estimaciones de la constante de Hubble incluso antes de que el fondo sea detectado directamente.

Resultados iniciales y perspectivas futuras

Para comprobar la viabilidad del método, el equipo aplicó su análisis a los datos recolectados durante las tres primeras campañas de observación de LIGO-Virgo-KAGRA. Aunque el fondo gravitacional aún no se ha detectado de forma directa, los límites superiores sobre su intensidad ya permiten mejorar la precisión en la medición de H₀ respecto a los enfoques basados solo en fusiones individuales.

El estudio concluye que, incluso sin una detección directa del fondo, la técnica de la “sirena estocástica” ya aporta información adicional independiente. Las perspectivas a medio plazo apuntan a que, conforme los detectores ganen sensibilidad, la técnica podría convertirse en una herramienta valiosa para medir la expansión del universo y resolver la tensión de Hubble. El trabajo fue aceptado en Physical Review Letters.