Todos se regocijaron con razón por
los descubrimientos más recientes en el campo de las ondas gravitacionales. El Observatorio LIGO, al que recientemente se unió su socio europeo VIRGO, había observado previamente ondas gravitacionales de fusión de agujeros negros. Lo cual es muy bueno, pero también se ve bastante solo: los agujeros negros son negros, por lo que solo podemos observar ondas gravitacionales en ellos, y poco más. Dado que nuestros observatorios actuales para detectar ondas gravitacionales no son muy buenos para determinar la ubicación de una fuente en el cielo, ni siquiera pudimos decir en qué galaxia, por ejemplo, ocurrió un evento registrado.
Pero todo cambió después del comienzo de la era de la astronomía, capaz de detectar inmediatamente la radiación gravitacional y electromagnética de una fuente. El evento detectado fue la fusión de dos estrellas de neutrones, no agujeros negros, y todo esto, convergiendo en una colisión gigante, inundó el cielo con el resplandor de muchas longitudes de onda simultáneamente.
¡Solo mira todos estos observatorios diferentes, todas estas longitudes de onda de radiación electromagnética! Radio, infrarrojo, óptico, ultravioleta, rayos X, gama gamma: este es el espectro completo desde un punto de vista astronómico.
Muchos logros científicos avanzados surgirán de este evento; vea, por ejemplo,
este trabajo . Algunas personas están muy entusiasmadas con el hecho de que este evento generó una gran cantidad de oro, varias veces más grande que la Tierra en masa. Pero este es mi blog, así que cubriré un aspecto de este evento que es relevante para mí: el uso de "sirenas estándar" para medir la expansión del universo.
Ya somos bastante buenos para medir la expansión del universo usando
la escala de distancia en astronomía . En él, las distancias se miden gradualmente, paso a paso, primero determinando las distancias a las estrellas más cercanas, luego a través de la transición a grupos más distantes, y así sucesivamente. Funciona bien, pero, por supuesto, es propenso a acumular errores en el proceso. Un nuevo tipo de observación de ondas gravitacionales nos da algo más, lo que le permite saltar sobre toda esta escala de distancias y obtener una
medición independiente de la distancia a los objetos cosmológicos.
La observación simultánea de ondas gravitacionales y electromagnéticas es una parte crítica de la idea. Estás tratando de comparar dos cosas: la distancia al objeto y la velocidad aparente con la que se aleja de ti. Por lo general, todo es simple con la velocidad: se mide el desplazamiento al rojo de la luz, que es fácil de hacer con el espectro electromagnético del objeto. Pero al tener solo ondas gravitacionales, esto no se puede hacer: no hay suficiente estructura en el espectro para medir el desplazamiento al rojo. Por lo tanto, la explosión de las estrellas de neutrones fue tan importante para nosotros; en el caso de GW170817, por primera vez pudimos determinar el desplazamiento al rojo exacto de una fuente remota de ondas gravitacionales.
Medir distancias es un momento difícil, y aquí las ondas gravitacionales nos ofrecen una nueva técnica. La estrategia generalmente aceptada generalmente es definir "velas estándar", es decir, objetos sobre cuyo brillo intrínseco puede sacar conclusiones razonables. Al compararlo con el brillo observado, puede calcular la distancia. Por ejemplo, los astrónomos usaron supernovas de tipo Ia para descubrir la expansión acelerada del universo.
Las ondas gravitacionales no proporcionan velas estándar: cada uno de los objetos tendrá su propio "brillo" gravitacional interno (la cantidad de energía radiada). Pero al estudiar cómo está evolucionando la fuente de luz, la modulación de frecuencia lineal característica de las ondas gravitacionales de dos objetos que se mueven juntos en espiral, puede calcular su brillo general. Aquí está el LFM para el GW170817, en comparación con otras fuentes que descubrimos: ¡mucha más información, casi un minuto entero!
¡Y ahora tenemos distancia y desplazamiento al rojo sin ninguna escala de distancia! Esto es importante por muchas razones. Una forma independiente de medir distancias cósmicas, por ejemplo, nos permitirá medir las propiedades de la materia oscura. También podría escuchar sobre las diferencias entre las diferentes formas de medir la constante de Hubble, lo que significa que, o alguien comete un pequeño error, o de alguna manera estamos muy equivocados en nuestras opiniones sobre el Universo. Obtener una forma independiente de verificar sus cálculos nos ayudará a resolver esto. Solo a partir de un solo evento podemos concluir que la constante de Hubble es 70 km / s / Mpc, aunque con un error bastante grande (+12, -8 km / s / Mpc). Pero la precisión aumentará a medida que se recopilen datos adicionales.
Y aquí está mi pequeño papel en esta historia. Bernard Schutz propuso la idea de utilizar fuentes de ondas gravitacionales como sirenas estándar en 1986. Pero desde entonces ha sido seriamente rediseñado, especialmente por mis amigos Daniel Holtz y Scott Hughes. Daniel me contó sobre esta idea hace muchos años, y él y Scott escribieron uno de los primeros trabajos sobre el tema. Inmediatamente dije: "Simplemente tienes que llamar a estas cosas" sirenas estándar ". Entonces nació una designación útil.
Desafortunadamente, mi colega de Caltech, Sterl Finney, me ofreció el mismo nombre al mismo tiempo que se indica en las secciones de agradecimiento. Pero eso no es nada; cuando la contribución es tan pequeña, no es una pena dividirla.
Pero los méritos de los físicos y astrónomos que pudieron hacer esta observación, y muchos otros que contribuyeron a la comprensión teórica del problema, son realmente significativos. Felicitaciones a todos los trabajadores que han descubierto una nueva forma de estudiar el universo.
Sean Michael Carroll es un cosmólogo estadounidense especializado en energía oscura y relatividad general.