⚛️ general relativity

First measurement of the Hubble constant from gravitational wave-galaxy cross-correlations

Este artículo presenta la primera medición de la constante de Hubble ( $H_0 = 67^{+18}_{-15}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ) y una restricción sobre el sesgo de las ondas gravitacionales mediante la detección de un pico de correlación cruzada entre eventos de ondas gravitacionales y distribuciones de galaxias utilizando el método de los "Sirenas de Pico" (Peak Sirens).

Autores originales: Isabela Santiago de Matos, Charles Dalang, Tessa Baker, Raul Abramo, João Ferri, Miguel Quartin

Publicado 2026-08-18

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CC BY 4.0

Autores originales: Isabela Santiago de Matos, Charles Dalang, Tessa Baker, Raul Abramo, João Ferri, Miguel Quartin

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Durante décadas, los astrónomos han intentado medir la velocidad a la que se expande nuestro universo, un valor conocido como la constante de Hubble. Este número es fundamental para comprender la edad, el tamaño y el destino final del cosmos. Para encontrarlo, los científicos dependen tradicionalmente de dos tipos principales de reglas cósmicas: la luz de estrellas que explotan y el tenue resplandor del Big Bang. Sin embargo, estos dos métodos han comenzado recientemente a discrepar entre sí, creando una tensión que sugiere que nuestra comprensión actual de la física podría estar incompleta. En la última década, ha surgido una nueva herramienta para ayudar a resolver este rompecabezas: las ondas gravitacionales. Estas son ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo causadas por eventos cósmicos violentos, como la colisión de agujeros negros o estrellas de neutrones. A diferencia de la luz, que puede atenuarse o dispersarse por el polvo, las ondas gravitacionales viajan a través del universo casi sin perturbaciones, portando un registro directo y preciso de la distancia a su fuente. El desafío siempre ha sido que, si bien estas ondas nos dicen exactamente qué tan lejos ocurrió un evento, no revelan qué tan rápido se aleja ese evento de nosotros, una pieza de información que usualmente se encuentra observando el color de la luz de la galaxia anfitriona.

Un equipo de investigadores ha dado ahora un paso significativo hacia el cierre de esta brecha mediante el uso de una nueva técnica para vincular las ondas gravitacionales directamente con las galaxias que las albergan. En lugar de intentar encontrar la galaxia específica para un solo evento, lo cual suele ser difícil cuando la ubicación de la onda es difusa, el equipo analizó la relación estadística entre muchos eventos de ondas gravitacionales y la distribución de millones de galaxias a través del cielo. Se centraron en dos detecciones específicas de ondas gravitacionales de un catálogo reciente de observaciones: una proveniente de una colisión que involucró a un agujero negro y un objeto más pequeño, y otra de una famosa colisión de dos estrellas de neutrones que también fue vista con telescopios. Al comparar el mapa tridimensional de dónde provinieron estas ondas con el mapa de dónde se encuentran las galaxias, los investigadores buscaron un patrón específico. Razonaron que, si las ondas y las galaxias están verdaderamente conectadas, debería haber un pico distintivo en su correlación en la distancia exacta donde los desplazamientos al rojo de las galaxias coinciden con las distancias de las ondas. Este método, que llaman "Peak Sirens" (Sirenas de Pico), les permite medir la tasa de expansión del universo sin necesidad de conocer el desplazamiento al rojo preciso de la galaxia anfitriona para cada evento individual.

El equipo detectó con éxito esta señal de correlación con un alto grado de confianza estadística, marcando la primera vez que este método específico es observado en datos reales. La señal fue impulsada principalmente por el evento mejor localizado en su conjunto de datos, una colisión que ocurrió aproximadamente a 255 millones de años luz de distancia, con una contribución menor de la colisión de estrellas de neutrones más cercana. Al analizar la posición de este pico de correlación, los investigadores calcularon un valor para la constante de Hubble de 67 kilómetros por segundo por megaparsec, con un rango de incertidumbre que abarca desde 52 hasta 85. Si bien esta medición aún no es lo suficientemente precisa como para resolver el debate entre las diferentes tasas de expansión encontradas por otros métodos, es consistente con los valores derivados de la radiación de fondo de microondas y otros estudios de sirenas oscuras. Más importante aún, el estudio demostró que esta técnica funciona incluso con un número muy pequeño de eventos de ondas gravitacionales, probando que el método es viable para mediciones futuras más precisas a medida que entren en funcionamiento más detectores.

Más allá de medir la tasa de expansión, este trabajo también proporcionó la primera restricción observacional sobre una propiedad llamada sesgo de ondas gravitacionales. Este número describe con qué fuerza las fuentes de ondas gravitacionales rastrean la distribución subyacente de la materia en el universo. Los investigadores encontraron que este sesgo es menor a 4.3, un resultado que ayuda a refinar nuestra comprensión de dónde es probable que ocurran estas violentas colisiones cósmicas en relación con las galaxias que vemos. El estudio se apoyó en un catálogo masivo de galaxias y simulaciones computacionales sofisticadas para modelar los patrones esperados, asegurando que la señal detectada no fuera simplemente ruido aleatorio. Los autores señalaron que, aunque sus datos actuales están limitados por el pequeño número de eventos de ondas gravitacionales bien localizados disponibles, la técnica es robusta y no depende de suposiciones complejas sobre las masas de los objetos en colisión. A medida que se detecten más eventos de ondas gravitacionales en los próximos años, se espera que este método se convierta en una nueva y poderosa forma de mapear el universo y probar las leyes de la gravedad, ofreciendo una perspectiva fresca sobre uno de los misterios más duraderos de la cosmología moderna.

Resumen Técnico: Primera Medición de la Constante de Hubble a partir de Correlaciones Cruzadas entre Ondas Gravitacionales y Galaxias

Problema y Motivación
Las observaciones de ondas gravitacionales (GW, por sus siglas en inglés) provenientes de coalescencias de binarias compactas (CBC) proporcionan mediciones directas de la distancia de luminosidad ( $D_L$ ), pero carecen de información de desplazamiento al rojo (redshift, $z$ ) intrínseca. Recuperar el desplazamiento al rojo es esencial para restringir los parámetros cosmológicos, particularmente la constante de Hubble ( $H_0$ ). Si bien los métodos de "sirena brillante" (utilizando contrapartes electromagnéticas) y los métodos de "sirena oscura" (asociando estadísticamente eventos de GW con catálogos de galaxias basándose en distribuciones de masa y tasas de fusión) están establecidos, estos enfrentan limitaciones respecto a las dependencias del modelado astrofísico y la escasez de contrapartes confirmadas. Este artículo aborda la necesidad de una técnica que evite las calibraciones de distancia externas y minimice la dependencia de supuestos sobre la distribución de masa y la tasa de fusión de las CBC.

Metodología: El Método de las Sirenas de Pico (Peak Sirens)
Los autores aplican el método de las "Sirenas de Pico", el cual utiliza la correlación cruzada angular 3D entre las fuentes de GW y las galaxias. La premisa física central es que las fuentes de GW residen dentro de las galaxias; por lo tanto, la correlación espacial entre los eventos de GW y las distribuciones de galaxias alcanza un máximo cuando los contenedes de desplazamiento al rojo del catálogo de galaxias se alinean con los contenedes de distancia de luminosidad de las fuentes de GW.

La implementación técnica involucra:

Construcción de Datos:
- Mapa de Galaxias: Utilizando el catálogo GLADE+ (banda K), los autores construyen un mapa de conteo de números pixelizado ( $N_g$ ) usando HEALPix ($nside=32$). La dirección radial se descompone en contenedes de desplazamiento al rojo ( $z_i$ ), con un particionamiento más fino ( $\Delta z \approx 0.0033$ ) para $z < 0.02$ para capturar eventos cercanos.
- Mapa de GW: Utilizando el catálogo GWTC-3.0, se construye un mapa de probabilidad 3D ( $N_{gw}$ ) integrando las distribuciones posteriores de los eventos de GW sobre contenedes de distancia de luminosidad ( $D_{Lj}$ ).
Análisis de Espectro Cruzado: Los autores computan el espectro cruzado angular $C_\ell(z_i, D_{Lj})$ entre los mapas de galaxias y de GW. A diferencia de los enfoques estándar de sirena oscura, este método no depende de autocorrelaciones ni de supuestos sobre la función de masa de las CBC.
Modelado Teórico: Los espectros cruzados teóricos se modelan mediante simulaciones donde las fuentes de GW se inyectan aleatoriamente en galaxias dentro de una cosmología fiduciaria (Planck 2018). El método asume un sesgo de GW lineal ( $b_{gw}$ ) y modela la posición del pico en el plano $(z, D_L)$ . La posición del pico es sensible a $H_0$ , mientras que la amplitud es sensible al sesgo de GW.
Inferencia Estadística: Se utiliza una verosimilitud gaussiana para comparar los espectros cruzados observados contra las predicciones teóricas. El análisis se centra en los parámetros dominantes: $H_0$ y $b_{gw}$ .

Contribuciones Clave y Resultados
El artículo reporta la primera detección de la señal de correlación cruzada GW-galaxia y la primera medición de $H_0$ utilizando esta técnica específica.

Selección de Datos: El análisis utiliza dos eventos de GW de GWTC-3.0:
- GW190814: Una fusión de agujero negro/objeto compacto de baja masa, destacada como el evento mejor localizado en el catálogo ( $\Omega_{90} = 18.5$ deg $^2$ ).
- GW170817: La conocida sirena brillante (fusión de BNS). Crucialmente, los autores tratan este evento como una sirena oscura en este análisis, no utilizando su desplazamiento al rojo de la galaxia anfitriona conocida, para demostrar la viabilidad del método sin datos de desplazamiento al rojo electromagnéticos externos.
Significancia de la Detección:
- Usando solo GW190814, el pico de la correlación cruzada se detecta con una significancia de 3.4 $\sigma$ .
- Incluir GW170817 (sin su desplazamiento al rojo) eleva la significancia a 5.9 $\sigma$ .
Restricciones Cosmológicas:
- Constante de Hubble ( $H_0$ ): El análisis combinado arroja $H_0 = 67^{+18}_{-15}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ (IC 68%). Este resultado es consistente con otras mediciones de sirenas oscuras y con los datos de Planck CMB, aunque con mayores incertidumbres debido al pequeño tamaño de la muestra.
- Sesgo de GW ( $b_{gw}$ ): El estudio proporciona la primera restricción observacional sobre el sesgo de GW, encontrando $b_{gw} < 4.3$ con un intervalo de confianza (IC) del 95%. Este parámetro cuantifica qué tan fuertemente las fuentes de GW trazan el campo de materia oscura subyacente en relación con la muestra de galaxias.
Validación Metodológica: Los autores verifican que la señal es robusta frente al ruido de disparo (shot noise) y que la posición del pico es una regla estándar cósmica independiente del modelo, insensible a la forma precisa del espectro de potencia de la materia.

Significado y Reivindicaciones
El artículo posiciona este trabajo como un paso fundacional ("la primera piedra") para una nueva clase de sondas cosmológicas. Las reivindicaciones clave respecto a su significancia incluyen:

Independencia del Modelado Astrofísico: A diferencia de los análisis de sirena oscura estándar, las Sirenas de Pico no requieren supuestos sobre la distribución de masa o la tasa de fusión de las CBC, reduciendo el entrelazamiento astrofísico.
Sonda Directa del Sesgo: El método ofrece una vía única para restringir el sesgo de GW ( $b_{gw}$ ), un parámetro inaccesible para las técnicas actuales de sirena oscura, lo cual es crítico para comprender los mecanismos de formación de objetos compactos.
Viabilidad con Datos Limitados: La detección de una señal de 5.9 $\sigma$ utilizando solo dos eventos de GW demuestra que la técnica es viable incluso con datos dispersos, siempre que los eventos estén bien localizados y el catálogo de galaxias sea suficientemente profundo.
Potencial Futuro: Los autores señalan que, si bien la precisión actual está limitada por el pequeño número de eventos y la profundidad del catálogo GLADE+, el método escala con la raíz cuadrada del número de eventos de GW. Proyectan que con ~100 eventos bien localizados, $H_0$ podría medirse con una precisión de ~4%. La técnica también se destaca como una herramienta prometedora para probar teorías de gravedad modificada donde las distancias de luminosidad de GW se desvían de las distancias electromagnéticas estándar.

Los autores mantienen la modestia respecto a la precisión actual, reconociendo que el resultado aún no es competitivo con las mediciones de estado del arte de CMB o de velas estándar, pero enfatizan su compatibilidad con las restricciones existentes y su potencial para un refinamiento futuro con detectores de GW de tercera generación y sondeos de galaxias más profundos (por ejemplo, DESI, GAIA).

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