La expansión del universo es uno de los descubrimientos más profundos de la cosmología moderna. Desde que se reconoció que las galaxias se alejan unas de otras, los astrónomos han intentado medir con precisión la velocidad a la que el cosmos se expande hoy, un valor conocido como constante de Hubble. Este número no solo describe el ritmo actual del crecimiento del universo, sino que también permite reconstruir su historia, estimar su edad y poner a prueba modelos sobre la materia y la energía que lo componen.
Sin embargo, las mediciones de esta constante no coinciden. Los métodos basados en el universo temprano —como los que analizan el fondo cósmico de microondas— ofrecen valores sistemáticamente más bajos que los obtenidos a partir de observaciones del universo cercano, como supernovas o galaxias. Esta discrepancia, conocida como tensión de Hubble, se ha convertido en uno de los problemas abiertos más importantes de la cosmología. Un nuevo trabajo propone ahora una estrategia distinta basada en ondas gravitacionales que podría aportar información independiente para esclarecer este conflicto.
La tensión de Hubble: un desacuerdo en el ritmo del universo
La constante de Hubble, denotada como H₀, describe cuánto se expanden las distancias entre galaxias por cada megapársec de separación. En términos simples, indica cuán rápido crece el universo en la actualidad. Si el valor es mayor, el cosmos se expande más deprisa; si es menor, lo hace más lentamente.
Las mediciones más precisas proceden de dos enfoques principales. Por un lado están las observaciones del universo temprano, especialmente del fondo cósmico de microondas, que capturan el estado del cosmos unos 380.000 años después del Big Bang. Por otro lado están los métodos basados en objetos relativamente cercanos, como supernovas de tipo Ia, que funcionan como “candelas estándar” para medir distancias. Ambos enfoques deberían converger en el mismo valor de H₀.
Sin embargo, no ocurre así. Las estimaciones del universo temprano tienden a situarse alrededor de 67–68 kilómetros por segundo por megapársec, mientras que las mediciones del universo tardío apuntan a valores más altos, alrededor de 72–74 km/s/Mpc. La diferencia supera el margen de error estadístico y se mantiene incluso cuando se refinan los métodos. Esta discrepancia persistente es lo que los cosmólogos llaman tensión de Hubble.
Algunos investigadores interpretan esta discrepancia como un posible indicio de nueva física, quizá relacionada con la energía oscura, con interacciones desconocidas de la materia oscura o con fenómenos que afectaron al universo primitivo. Pero antes de llegar a esa conclusión, es esencial obtener mediciones completamente independientes que permitan verificar los resultados.
Ondas gravitacionales como nuevas herramientas cosmológicas
En la última década, la detección directa de ondas gravitacionales ha abierto una nueva forma de estudiar el universo. Estas ondulaciones del espacio-tiempo se producen cuando objetos extremadamente densos —como agujeros negros o estrellas de neutrones— colisionan entre sí. Los observatorios LIGO, Virgo y KAGRA han registrado decenas de estos eventos desde 2015.
Una de las características más interesantes de estas señales es que permiten medir la distancia al evento cósmico directamente, sin necesidad de una cadena de calibraciones astronómicas. Por esa razón, los astrofísicos las denominan “sirenas estándar”, en analogía con las candelas estándar utilizadas en observaciones electromagnéticas.
En este enfoque, la amplitud de la onda gravitacional proporciona la distancia a la fuente. Si además se conoce el corrimiento al rojo de la galaxia donde ocurrió la fusión, es posible calcular la constante de Hubble. El propio artículo explica el principio fundamental de esta técnica al señalar que “la amplitud de una fusión proporciona una medición directa de su distancia de luminosidad, sin necesidad de una escala de distancias”.
El problema es que, en muchos casos, las fusiones detectadas —especialmente las de agujeros negros— no producen señales luminosas visibles, lo que dificulta determinar su corrimiento al rojo. Esto limita la precisión de las mediciones cosmológicas basadas únicamente en eventos individuales.
El fondo de ondas gravitacionales y la idea de la “sirena estocástica”
El nuevo estudio introduce una estrategia diferente para aprovechar la información contenida en las ondas gravitacionales. En lugar de analizar únicamente las fusiones detectadas individualmente, los investigadores consideran también el fondo de ondas gravitacionales, una señal difusa producida por innumerables colisiones de agujeros negros demasiado lejanas o débiles para ser observadas por separado.
Este fondo puede imaginarse como una especie de murmullo gravitacional colectivo generado por millones de eventos distribuidos a lo largo de la historia cósmica. Aunque cada señal individual sea demasiado débil para distinguirse, su suma produce un patrón estadístico medible.
El trabajo propone utilizar ese fondo como una nueva herramienta cosmológica, lo que los autores denominan “sirena estocástica”. Según explican en el artículo, “proponemos un nuevo método para medir H₀ combinando la búsqueda del fondo de ondas gravitacionales con el análisis poblacional de fusiones individuales”.
La clave es que la intensidad del fondo depende del número total de fusiones que han ocurrido a lo largo del tiempo cósmico y del volumen del universo donde se distribuyen. Ambos factores están directamente relacionados con la historia de expansión del universo.
Cómo el fondo gravitacional revela la expansión del universo
El método se basa en una relación sencilla entre cosmología y población de fusiones. Si la constante de Hubble fuera menor, el universo tendría volúmenes comóviles mayores para un mismo corrimiento al rojo. Eso implicaría que existirían más fusiones de agujeros negros dentro del volumen observable, lo que aumentaría la intensidad esperada del fondo gravitacional.
El artículo resume esta relación de forma directa: “un valor menor de H₀ implica volúmenes comóviles mayores en el universo, lo que conduce a más fusiones de objetos compactos y, por tanto, a un fondo gravitacional más intenso”.
Esto tiene una consecuencia interesante. Si los detectores no observan un fondo gravitacional tan intenso como el que correspondería a ciertos valores de H₀, esos valores pueden descartarse. En otras palabras, la ausencia de detección también contiene información cosmológica.
De hecho, los autores destacan este punto de forma explícita al afirmar que “el fondo puede utilizarse como una ‘sirena estocástica’ para medir H₀”.
Al combinar la información de fusiones detectadas individualmente con los límites actuales sobre el fondo gravitacional, el método permite refinar las estimaciones de la constante de Hubble incluso antes de que ese fondo sea observado directamente.
Primeros resultados y perspectivas futuras
Para probar la idea, el equipo aplicó su método a los datos obtenidos durante las tres primeras campañas de observación de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA. En esos datos todavía no se ha detectado de forma directa el fondo gravitacional, pero existen límites superiores sobre su intensidad.
Al incluir esos límites en el análisis, los investigadores lograron mejorar la precisión de la medición de H₀ en comparación con métodos basados únicamente en fusiones individuales de agujeros negros. El resultado no resuelve todavía la tensión de Hubble, pero demuestra que la técnica puede aportar información adicional independiente.
El propio estudio destaca que “incluso la no detección actual del fondo mejora las mediciones de H₀ en comparación con el uso exclusivo de fusiones resueltas”.
Las perspectivas a medio plazo son especialmente prometedoras. A medida que los detectores de ondas gravitacionales aumenten su sensibilidad, es probable que el fondo gravitacional sea detectado directamente en los próximos años. En ese escenario, la técnica de la sirena estocástica podría convertirse en una herramienta poderosa para la cosmología, capaz de proporcionar una medición independiente de la expansión del universo y ayudar a esclarecer la persistente tensión entre distintos métodos.
Referencias
- Cousins, B., Schumacher, K., Chung, A. K.-W., Talbot, C., Callister, T., Holz, D. E., & Yunes, N. The Stochastic Siren: Astrophysical Gravitational-Wave Background Measurements of the Hubble Constant. Physical Review Letters (aceptado). DOI: https://doi.org/10.1103/4lzh-bm7y.
