El nacimiento de la cosmología basada en ondas gravitacionales

DIbujo20171016 des hubble constant measurement GW170817

Hoy ha nacido la cosmología basada en ondas gravitacionales gracias a la estimación de la constante de Hubble lograda usando la onda gravitacional GW170817. La detección óptica de la fuente de GW170817 permite usarla como candela astronómica (como se hace con las supernovas Ia) para estimar distancias y con ellas estudiar la expansión cósmica. La ventaja es que las ondas gravitacionales permiten estimar la distancia a la fuente sin usar ninguna escalera de distancias. El resultado obtenido 70,0+12,0−8,0 km/s/Mpc (al 68% CL) es compatible con la medida de Planck 2015 y con la medida obtenida usando la escalera de distancias. Aún muy siendo imprecisa, como es independiente de ambas, se trata de un primer paso hacia un prometedor nuevo método para medir la constante de Hubble que podría resolver la tensión actual entre dichas medidas.

Por supuesto, se pueden usar las ondas gravitacionales para estimar la constante de Hubble incluso si no hay contrapartida óptica. Sin embargo, la precisión lograda no permite considerarlas como candelas estándar si no se observa dicha contrapartida. Lo importante de la nueva medida es que cuando haya decenas de observaciones gravitacionales multimensajero de fusiones de estrellas de neutrones podremos obtener un valor tan preciso como el obtenido con medidas cosmológicas, e incluso ir más allá.

El artículo es The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration, The 1M2H Collaboration, The Dark Energy Camera GW-EM Collaboration and the DES Collaboration, The DLT40 Collaboration, The Las Cumbres Observatory Collaboration, The VINROUGE Collaboration, The MASTER Collaboration, “A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant,” Nature (16 Oct 2017), doi: 10.1038/nature24471, Draft, 14 Oct 2017 [PDF]. El método usado fue concebido por Bernard F. Schutz, “Determining the Hubble constant from gravitational wave observations,” Nature 323: 310-311 (1986), doi: 10.1038/323310a0.

[PS] Recomiendo también Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri, “Cosmological constraints combining Planck with the recent gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant,” arXiv:1710.06370 [astro-ph.CO]; C. Guidorzi, R. Margutti, …, P. K. G. Williams, “Improved Constraints on H0 from a combined analysis of gravitational-wave and electromagnetic emission from GW170817,” arXiv:1710.06426 [astro-ph.CO]; Naoki Seto, Koutarou Kyutoku, “Prospects of the local Hubble parameter measurement using gravitational waves from double neutron stars,” arXiv:1710.06424 [astro-ph.CO]; David Fernández-Arenas, Elena Terlevich, …, Spyros Basilakos, “An independent determination of the local Hubble constant,” arXiv:1710.05951 [astro-ph.CO].

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DIbujo20171016 des inference on H0 and inclination

La distancia a la fuente de GW170817 estimada por LIGO-Virgo sin tener en cuenta la contrapartida óptica es de 40+8−14 Mpc, mientras que sabiendo que la fuente está cerca de NGC4993 es de 43,8+2,9−6,9 Mpc. Recuerda que estos valores representan la mediana (43,8) y el intervalo al 68% CL entre 43,8 − 6,9 = 36,9 y 43,8 + 2,9 = 46,7 (se usa la mediana porque es un estadístico más robusto que la media). En estas estimaciones es muy importante usar la información de polarización de la onda gravitacional para estimar la inclinación del plano orbital de la fuente (las estrellas de neutrones en movimiento espiral una respecto a la otra). Esta figura muestra el resultado, que por ahora tiene bastante error.

DIbujo20171016 constraints hubble constant binary inclination and distance

En resumen, lo importante no es el nuevo como tal, sino que ha nacido un nuevo método que promete una gran precisión tras una década de toma de datos usando interferómetros de ondas gravitacionales. Cuando se hayan observado cientos de fusiones de estrellas de neutrones la cosmología basada en ondas gravitacionales marcará el nuevo estándar en medidas directas del valor actual de la constante de Hubble.

Dibujo20171018 cosmological parameter constraints Planck and Planck GW170817 arxiv 1710 06370

[PS] Se pueden combinar los datos de Planck 2015 y la onda gravitacional GW170817 en un modelo cosmológico ΛCDM extendido con 12 parámetros para obtener una restricción más ajustada de sus parámetros. Así se mejora la acotación de estos parámetros en función de la suma de la masa de los neutrinos, la curvatura del universo y la ecuación de estado de la energía, entre otros parámetros. Más información en arXiv:1710.06370 [astro-ph.CO].

Dibujo20171018 hubble constant estimation arxiv 1710 05951

Esta figura está extraída de arXiv:1710.05951. Lo más interesante de todo este asunto es que muchos grupos de astrónomos y cosmólogos están empezando a tomar en serio el naciente campo de la cosmología de ondas gravitacionales. El futuro en los próximos meses y años será muy prometedor. [/PS]


15 Comentarios

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GerardoGerardo

La verdad hubiera sido más “interesante” que la nueva medida de la constante de hubble NO HUBIERA DADO TAN PRECISA

Francisco R. Villatoro

Jaime, la forma de señal permite estimar las masas y la energía, mientras que la amplitud de la señal permite estimar la distancia. La fórmula es muy sencilla (una proporción inversa). Observar la fuente con ondas EM permite mejorar esta estimación (como se ha hecho con GW170817).

Jaime RudasJaime Rudas

Gracias por tu respuesta, Francisco: ¿podrías aconsejarme algún sitio donde se desarrolle el tema?

marcosmarcos

por forma se entiende al contenido de hercios en la muestra? pensando en amplitud como intensidad/distancia que comentas

Francisco R. Villatoro

Marcos, la forma es el perfil de la onda, que en un espectrograma aparece como un silbido (chirp) de frecuencia creciente; en el espectro la frecuencia se mide en hercios. Una onda tiene frecuencia (o longitud de onda) que se mide en hercios y tiene amplitud (que al cuadrado es la intensidad) que se mide en unidades propias del medio que ondula. En el caso de las ondas gravitacionales, ondas del propio espaciotiempo, la amplitud (strain) es adimensional (no tiene unidades); si la onda estira o contrae una distancia d en una cantidad Δd entonces la amplitud es 2 Δd/d (por eso es adimensional). La amplitud es inversamente proporcional a la distancia de la fuente, es decir, h ~ 1/r (la intensidad y la energía son inversamente proporcionales a su cuadrado, ~ 1/r^2).

macuto_davmacuto_dav

Que nos pueden decir las ondas gravitacionales acerca de la estructura y propiedades del espacio-tiempo? nos permitiran acceder a información relevante mas alla de lo que ya se conoce (o incluso descartar teorias)?

Francisco R. Villatoro

Macuto, no nos informan nada nuevo sobre la estructura microscópica del universo; sin embargo, permiten chequear la relatividad general en el régimen de campo fuerte y así pueden descartar ciertas teorías exóticas (pero siempre a nivel clásico). Por ejemplo, se pueden descartar ciertas teorías con campos escalares, como en Paolo Creminelli, Filippo Vernizzi, “Dark Energy after GW170817,” arXiv:1710.05877 [astro-ph.CO]; Jeremy Sakstein, Bhuvnesh Jain, “Implications of the Neutron Star Merger GW170817 for Cosmological Scalar-Tensor Theories,” arXiv:1710.05893 [astro-ph.CO]; Jose María Ezquiaga, Miguel Zumalacárregui, “Dark Energy after GW170817,” arXiv:1710.05901 [astro-ph.CO]; Tessa Baker, Emilio Bellini, …, Ignacy Sawicki, “Strong constraints on cosmological gravity from GW170817 and GRB 170817A,” arXiv:1710.06394 [astro-ph.CO]; etc.

DiegoDiego

Hola Francis, gracias como siempre.

Alguna implicacion sobre la gravedad emergente de Berlinde?

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