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Measurement of the Hubble constant using the Dark Energy Survey Year 6 Gold galaxy catalogue and the fourth Gravitational-Wave Transient Catalogue

Este estudio presenta una medición de la constante de Hubble utilizando el catálogo de galaxias Dark Energy Survey Year 6 Gold y el cuarto Catálogo de Transitorios de Ondas Gravitacionales, demostrando el método estadístico de "sirena oscura" al tiempo que identifica y mitiga los sesgos de las distribuciones de desplazamiento al rojo de las galaxias para lograr un resultado de $H_0 = 71.7^{+22.7}_{-18.3}\;\text{km}\;\text{s}^{-1}\;\text{Mpc}^{-1}$ , el cual mejora a $73.1^{+11.9}_{-8.5}\;\text{km}\;\text{s}^{-1}\;\text{Mpc}^{-1}$ cuando se combina con la sirena brillante GW170817.

Autores originales: Isaac McMahon, Danny Laghi, Marcelle Soares-Santos, Kendall Ackley, Gergely Dálya, Yavuz Gençel, David Sánchez-Cid, Felipe Andrade-Oliveira, Sean MacBride, Christian Chapman-Bird, Rachel Gray, Alexand

Publicado 2026-07-08

📖 5 min de lectura🧠 Análisis profundo

CC BY 4.0

Autores originales: Isaac McMahon, Danny Laghi, Marcelle Soares-Santos, Kendall Ackley, Gergely Dálya, Yavuz Gençel, David Sánchez-Cid, Felipe Andrade-Oliveira, Sean MacBride, Christian Chapman-Bird, Rachel Gray, Alexander Papadopoulos

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

Imagina que el universo es un globo gigante que se expande. Los científicos han estado intentando medir exactamente qué tan rápido se está inflando este globo. Esta velocidad se llama Constante de Hubble ( $H_0$ ). Conocer este número es crucial porque nos ayuda a comprender la historia y el destino del universo. Sin embargo, hay un problema: dos formas diferentes de medir esta velocidad dan respuestas ligeramente distintas, y los científicos están discutiendo cuál de las dos es la correcta.

Este artículo presenta una nueva forma independiente de medir esta velocidad utilizando "mensajeros cósmicos" que no necesitan ser vistos con un telescopio.

Los dos tipos de mensajeros

Piensa en las Ondas Gravitacionales (OG) como ondas en un estanque causadas por el choque de dos objetos pesados (como agujeros negros). Estas ondulaciones transportan un "control de volumen" integrado que nos dice exactamente qué tan lejos ocurrió el choque. Esto se llama un Sirena Estándar.

Para determinar la velocidad de expansión del universo, necesitamos dos piezas de información:

Qué tan lejos estuvo el choque (a partir de la onda gravitacional).
Qué tan rápido se expande el universo a esa distancia (a partir de la velocidad de la galaxia que alberga el choque).

Hay dos formas de obtener la segunda pieza de información:

La "Sirena Brillante" (el camino fácil): A veces, el choque ocurre en una galaxia que también emite destellos de luz (como una supernova). Podemos ver la luz, encontrar la galaxia y medir su velocidad directamente. Esto solo ha sucedido una vez hasta ahora (un evento llamado GW170817). Es como encontrar un faro en medio de una tormenta; sabes exactamente dónde está.
La "Sirena Oscura" (el camino difícil): La mayoría de las veces, el choque ocurre en la oscuridad. No se ve ninguna luz. Sabemos de dónde vinieron las ondas aproximadamente, pero no sabemos qué galaxia específica las causó. Es como escuchar un estruendo en un bosque oscuro e intentar adivinar a qué árbol golpeó.

El trabajo de detective: El método de la "Sirena Oscura"

Dado que no podemos ver la galaxia anfitriona específica para estos choques "oscuros", los científicos en este artículo utilizaron un truco estadístico masivo.

Imagina que estás tratando de adivinar de qué casa proviene un ruido en una ciudad. No sabes la casa exacta, pero tienes un mapa de cada una de las casas en la ciudad (el catálogo de galaxias). También tienes una idea aproximada de la dirección de donde proviene el sonido.

En lugar de adivinar una sola casa, miras todas las casas en esa dirección. Te preguntas: "¿Cuál de estas casas es la más probable que haya tenido un gran choque?".

Las casas más grandes y brillantes (galaxias más masivas) son más propensas a haber tenido un gran choque.
El mapa te dice qué tan lejos está cada casa.

Al ponderar todas las posibles casas en el área, puedes calcular estadísticamente la distancia y la velocidad promedio, dándote una medida de la expansión del universo.

Lo que hizo este artículo

Los investigadores combinaron dos conjuntos de datos masivos:

Los datos de "Sonido": Una nueva lista de 142 eventos de ondas gravitacionales (las "Sirenas Oscuras") detectados por la red LIGO/Virgo/KAGRA.
Los datos del "Mapa": Un catálogo superdetallado de galaxias del Dark Energy Survey (DES). Esto es como un Google Earth de alta resolución para el cielo austral, que contiene cientos de millones de galaxias.

El desafío:
El mapa de galaxias no era perfecto. Tenía algunos "fallos":

El fallo de "Saturación": Las galaxias muy brillantes y cercanas eran tan brillantes que cegaban los sensores de la cámara, por lo que no se contaban.
El fallo de "Desenfoque": Para las galaxias en la distancia media, la cámara a veces se confundía sobre qué tan lejos estaban, creando falsos cúmulos de galaxias que no existían realmente.

La solución:
El equipo actuó como editores cuidadosos. Recortaron las partes borrosas del mapa (galaxias que estaban demasiado lejos o demasiado cerca) y corrigieron los datos para asegurar que solo estuvieran mirando una sección limpia y confiable del universo. También actualizaron su software para que funcionara mucho más rápido, permitiéndoles procesar números para cientos de eventos a la vez.

Los resultados

Después de limpiar los datos y realizar el análisis estadístico, obtuvieron una nueva medida de la velocidad de expansión del universo:

Usando solo las "Sirenas Oscuras": Encontraron que la velocidad era aproximadamente 71.7 (con un margen de error).
Combinando con la única "Sirena Brillante" (GW170817): Cuando añadieron el único evento donde sí vieron la luz, la medida se volvió mucho más precisa: 73.1.

Por qué esto es importante

Este estudio es una prueba de concepto. Demuestra que podemos usar mapas detallados y profundos del universo para encontrar las "Sirenas Oscuras" y medir la expansión del universo sin necesidad de ver ninguna luz.

Piensa en esto como una actualización de un mapa borroso dibujado a mano a una imagen satelital de alta definición. Al usar un mejor mapa, los científicos redujeron la incertidumbre en su medición. Aunque el resultado todavía es algo difuso (los márgenes de error son amplios), demuestra que a medida que obtengamos mejores mapas de galaxias y más detecciones de ondas gravitacionales en el futuro, este método de la "Sirena Oscura" se convertirá en una herramienta poderosa para finalmente resolver el misterio de qué tan rápido crece nuestro universo.

En resumen: Utilizaron un mapa digital masivo de galaxias para adivinar estadísticamente la ubicación de choques cósmicos invisibles, lo que les permitió medir la velocidad de expansión del universo con un nuevo método independiente.

Resumen Técnico: Medición de la Constante de Hubble utilizando DES Y6 Gold y GWTC-4.0

Planteamiento del Problema
La tensión en la constante de Hubble ( $H_0$ ) entre las mediciones del universo temprano (CMB) y del universo tardío (supernovas) sigue siendo un desafío crítico en cosmología. Los sirenas estándar de ondas gravitacionales (GW) ofrecen una vía independiente para medir $H_0$ . Mientras que las "sirenas brillantes" (eventos con contrapartes electromagnéticas, por ejemplo, GW170817) proporcionan mediciones directas de desplazamiento al rojo (redshift), estas son raras. Las "sirenas oscuras" (eventos sin contrapartes) dependen de la correlación estadística de los volúmenes de localización de GW con catálogos de galaxias para inferir el desplazamiento al rojo. Los análisis previos utilizando el Dark Energy Survey (DES) se limitaron a eventos individuales o modelos de población fijos, y los catálogos existentes como GLADE+ sufren de incompleitud en $z > 0.05$ . Este estudio aborda la necesidad de adaptar catálogos fotométricos profundos y de campo amplio para la inferencia conjunta de parámetros cosmológicos y de población de GW utilizando el catálogo completo de transitorios de ondas gravitacionales de la cuarta edición (GWTC-4.0).

Metodología
Los autores utilizan el pipeline gwcosmo para realizar una inferencia bayesiana conjunta de los parámetros cosmológicos ( $H_0$ ) y de los parámetros de población de coalescencia de binarias compactas (CBC).

Fuentes de Datos:
- Eventos GW: 142 candidatos a CBC de GWTC-4.0 (corrida O4a), incluyendo 137 binarias de agujeros negros y 5 candidatos con componentes potenciales de estrella de neutrones. GW170817 se trata por separado como una sirena brillante.
- Catálogo de Galaxias: El catálogo fotométrico DES Year 6 (Y6) Gold, que cubre 4923 deg $^2$ con una profundidad de banda $r$ de 23.9 mag.
Preparación y Selección del Catálogo:
- Selección de Objetos: Se aplicaron cortes de calidad (FLAGS_FOOTPRINT, FLAGS_FOREGROUND, FLAGS_GOLD) y separación estrella-galaxia mediante XGB_PRED (árboles de decisión de gradiente aumentado) para eliminar estrellas brillantes mal clasificadas.
- Rango de Desplazamiento al Rojo: Restringido a $0.05 < z < 0.50$ . El corte inferior ( $z > 0.05$ ) mitiga los efectos de saturación de CCD en DES; el corte superior ( $z < 0.5$ ) asegura la validez de las correcciones $K$ derivadas de los filtros SDSS y evita sesgos de desplazamiento al rojo fotométrico en el rango $0.15 < z < 0.35$ donde faltan datos de banda $u$ .
- Función de Luminosidad: Se midió la función de luminosidad de Schechter en la banda $r$ utilizando el método $1/V_{max}$ para cuantificar la completitud del catálogo. Los parámetros de evolución ( $M^*(z)$ , $\alpha(z)$ , $\phi^*(z)$ ) se modelaron linealmente con el desplazamiento al rojo.
- Ponderación: Las probabilidades de la galaxia anfitriona fueron ponderadas por luminosidad ( $\epsilon=1$ ), asumiendo que las tasas de fusión escalan con la masa estelar.
Prior de Desplazamiento al Rojo en la Línea de Visión (LOS):
- Se construyó un prior de LOS combinando galaxias dentro del catálogo (ponderadas por luminosidad e incertidumbre de foto- $z$ ) y un término de "catálogo vacío" (uniforme en volumen de comoving) para galaxias no detectadas.
- Se validó el prior frente a la suposición uniforme, observando desviaciones de hasta ~21% debido a estructuras de gran escala reales (por ejemplo, muros de galaxias) y sesgos de foto- $z$ .
Marco Computacional:
- Se implementó la aceleración de hardware mediante vectorización de GPU (vía PyTorch y Numba/CUDA) para manejar las estimaciones de densidad de núcleo (KDE) sobre las muestras posteriores. Esto redujo el tiempo de ejecución del análisis de semanas a horas, permitiendo el procesamiento de cientos de eventos.

Contribuciones Clave

Adaptación de DES Y6 Gold: Adaptación exitosa del catálogo profundo DES Y6 Gold para la cosmología de sirenas oscuras, demostrando su utilidad a pesar de cubrir solo ~12% del cielo. El catálogo ofrece una densidad de galaxias $\sim 100-1000$ veces mayor que GLADE+ dentro de su huella.
Inferencia Conjunta: Realización de la primera inferencia conjunta de $H_0$ y parámetros de población de CBC utilizando el conjunto de datos completo de GWTC-4.0 y un catálogo fotométrico profundo, yendo más allá de los modelos de población fijos utilizados en análisis anteriores de DES.
Mitigación de Sesgos: Identificación y mitigación de sesgos específicos en la distribución de desplazamiento al rojo de DES, incluyendo la saturación a bajo $z$ y la dispersión de foto- $z$ a $z$ intermedio, mediante la aplicación de cortes rigurosos de desplazamiento al rojo ( $0.05 < z < 0.5$ ).
Eficiencia Computacional: Demostración de una aceleración de 1 a 2 órdenes de magnitud en gwcosmo mediante la aceleración de GPU, haciendo factibles los análisis de sirenas oscuras a gran escala para futuros catálogos de GW.

Resultados

Solo Sirenas Oscuras: Utilizando el catálogo DES Y6 Gold con el corte de $0.05 < z < 0.5$ , el estudio mide $H_0 = 71.7^{+22.7}_{-18.3}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ . Esto representa una reducción de ~11% en el ancho del intervalo de confianza del 68.3% en comparación con análisis previos de O4a usando GLADE+.
Combinado (Oscura + Brillante): Combinando el resultado de la sirena oscura con la sirena brillante GW170817, se obtiene $H_0 = 73.1^{+11.9}_{-8.5}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ . Esto es una mejora de ~10% en la precisión sobre el resultado de la sirena estándar de O4a.
Poder de Constreñimiento: Los autores señalan que la mayor parte del poder de constreñimiento sobre $H_0$ en este conjunto de datos proviene del aspecto de "sirena espectral" (características en la distribución de masa) más que del catálogo de galaxias en sí. Los catálogos de galaxias actualmente proporcionan una mejora pequeña sobre el caso de "catálogo vacío" porque son demasiado estrechos o superficiales para cubrir los volúmenes de localización de la mayoría de los eventos GW.

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma demostrar la adaptación exitosa de los sondeos de galaxias profundos para la cosmología de GW, destacando las metodologías necesarias para manejar la incompleitud de los catálogos y los sesgos de desplazamiento al rojo. Los autores sostienen que, si bien los límites actuales están determinados por la profundidad y la cobertura del cielo de los catálogos existentes en relación con los volúmenes de localización de GW, el marco demostrado es esencial para maximizar el potencial de los próximos sondeos (por ejemplo, LSST, Euclid, DESI). El trabajo sirve como un paso preparatorio para la era de la cosmología de precisión de GW, donde las futuras corridas de observación (O4b, O5) y catálogos más profundos permitirán que las sirenas oscuras se conviertan en una herramienta primaria para resolver la tensión de $H_0$ . El estudio enfatiza que la mayor parte de la mejora en la precisión proviene de la inferencia conjunta de los parámetros de población, mientras que los catálogos de galaxias proporcionan refinamientos incrementales pero necesarios.

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