⚛️ high-energy experiments

Measurement of the Hubble constant with high-energy neutrinos

Este artículo presenta la primera realización observacional de un nuevo método de escalera de distancias basado en neutrinos utilizando neutrinos astrofísicos de alta energía de 12 galaxias de Seyfert para medir la constante de Hubble, arrojando un resultado de $H_0 = 49^{+40}_{-30}\,\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$ que es consistente con las determinaciones existentes mientras demuestra un enfoque novedoso libre de sistemáticas de propagación electromagnética.

Autores originales: Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

Publicado 2026-08-04

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CC BY 4.0

Autores originales: Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

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Imagina el Universo como un globo gigante que se expande. Durante décadas, los científicos han intentado medir exactamente con qué rapidez se infla este globo. Esta velocidad se llama constante de Hubble ( $H_0$ ), y conocerla es crucial porque nos indica la edad del Universo y cómo terminará. Pero aquí está la parte complicada: para medir la velocidad de expansión, primero necesitas saber la distancia exacta a objetos lejanos. Medir distancias cósmicas es como intentar adivinar a qué distancia está un amigo en una habitación oscura solo por lo fuerte que suena su voz. Normalmente, usamos la luz (fotones) como nuestra voz. Pero la luz es una mensajera caprichosa; es bloqueada por el polvo, absorbida por el gas y dispersada por las nubes, lo que hace difícil saber qué tan fuerte era la voz realmente al principio. Esto ha provocado un gran desacuerdo en el mundo de la física: un grupo de científicos, utilizando la luz más antigua del Universo, dice que el globo se expande a una velocidad, mientras que otro grupo, utilizando estrellas que explotan, dice que es más rápida. Esto se conoce como la "tensión de Hubble", y es uno de los mayores misterios de la física moderna.

Ahora, imagina un mensajero al que no le importa el polvo, el gas o la oscuridad. Entra el neutrino: una partícula diminuta y fantasmal que puede atravesar planetos enteros sin chocar con nada. Debido a que viajan sin atenuación, los neutrinos son perfectos para medir distancias cósmicas sin el "ruido" que altera la luz. En este nuevo estudio, un equipo de investigadores decidió probar un experimento audaz: usar neutrinos de alta energía provenientes de galaxias activas como una nueva regla para medir la expansión del Universo. No solo lo simularon; analizaron datos reales del Observatorio de Neutrinos IceCube, que se encuentra enterrado en el hielo de la Antártida, esperando a que estos partículas fantasmales pasen a través de él.

El equipo se centró en 12 galaxias específicas llamadas galaxias Seyfert. Estas son potencias cósmicas con agujeros negros supermasivos en sus centros, rodeados por una "corona" de plasma caliente y brillante. Los investigadores utilizaron un truco ingenioso basado en una relación entre dos tipos de energía que estas galaxias emiten: rayos X y neutrinos. Piensa en la corona como una cocina. Los rayos X son el calor que proviene de la estufa, y los neutrinos son el olor de la comida cocinándose. Los científicos hipotetizaron que si sabes qué tan caliente está la estufa (el brillo de los rayos X), puedes predecir qué tan fuerte debería ser el olor (el brillo de los neutrinos). Si el olor es más débil o más fuerte de lo esperado para un determinado calor, eso te indica qué tan lejos está la cocina.

Utilizando datos de la colección de 14 años de IceCube, el equipo descubrió que, para estas 12 galaxias, la relación entre el calor de los rayos X y el olor de los neutrinos no es una coincidencia simple de 1 a 1. En cambio, encontraron que a medida que las galaxias brillan más en rayos X, la señal de neutrinos no crece tan rápido como algunas teorías predecían. Específicamente, midieron un valor de pendiente de $\beta = 0.67^{+0.16}_{-0.25}$ . Este resultado sugiere que la "cocina" no es perfectamente eficiente; la producción de neutrinos se vuelve menos eficiente a medida que la galaxia brilla más, descartando un límite "calorimétrico" específico donde la eficiencia sería perfecta (un valor de $\beta = 1$ ) con una certeza de aproximadamente 2 desviaciones estándar.

Con esta nueva "regla de neutrinos" calibrada, calcularon la constante de Hubble. Su resultado es $H_0 = 49^{+40}_{-30}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ . Aunque este número tiene un amplio margen de error (lo que significa que el valor real podría estar en cualquier lugar entre 19 y 89), es un primer paso trascendental. Demuestra que los neutrinos pueden usarse de hecho como una nueva herramienta para la cosmología, libres del polvo y el gas que confunden las mediciones basadas en la luz. El resultado se sitúa cómodamente entre los dos valores conflictivos de estudios previos, lo que sugiere que los neutrinos podrían eventualmente ayudar a resolver la tensión de Hubble, pero por ahora, la medición es más una prueba de concepto que una respuesta final. Los autores enfatizan que, si bien la incertidumbre es grande, el método es sólido y ofrece una forma fresca y libre de errores sistemáticos para observar el Universo en expansión.

Resumen Técnico: Medición de la constante de Hubble con neutrinos de alta energía

Planteamiento del problema
Determinar la escala del Universo y resolver la "tensión de Hubble" —la discrepancia de aproximadamente $5\sigma$ entre las determinaciones de la constante de Hubble ( $H_0$ ) del Universo temprano (CMB de Planck) y del Universo tardío (Cefeidas–supernovas)— es un desafío central en la cosmología moderna. Casi todas las sondas de distancia existentes dependen de fotones, los cuales están sujetos a sistemáticas de propagación que incluyen la extinción por polvo, la absorción intergaláctica, la dispersión y el modelado complejo de transferencia radiativa. Estos efectos introducen incertidumbres que son difíciles de desentrañar de las propiedades intrínsecas de la fuente. Una medición de distancia utilizando un mensajero que atraviese el Universo sin atenuación evitaría por completo estas sistemáticas electromagnéticas.

Metodología
Este trabajo introduce un nuevo peldaño en la escalera de distancias cósmicas utilizando neutrinos astrofísicos de alta energía provenientes de fuentes puntuales como "velas estandarizables". El método se basa en la correlación física entre la luminosidad de neutrinos ( $L_\nu$ ) y la luminosidad de rayos X ( $L_X$ ) en las coronas de galaxias Seyfert, descrita por la relación de ley de potencia:
$L_\nu = \kappa L_X^\beta$
donde $\kappa$ es una constante de normalización y $\beta$ es una pendiente que codifica la física de la corona.

El análisis utiliza una muestra de 12 galaxias Seyfert seleccionadas en rayos X identificadas en el lanzamiento de fuentes puntuales de 14 años de IceCube. La metodología procede de la siguiente manera:

Anclaje: La escalera está anclada por una distancia no dependiente del desplazamiento al rojo de NGC 1068, derivada de una combinación de variables Cefeidas y del Extremo de la Rama de las Gigantes Rojas (TRGB) ( $10.93 \pm 0.74$ Mpc). Esto rompe la degeneración entre la normalización $\kappa$ y $H_0$ .
Extracción de datos: Los conteos de señal de neutrinos ( $\hat{n}_s$ ) e incertidumbres se extraen para cada fuente utilizando el marco de verosimilitud no agrupada (unbinned) SkyLLH aplicado a los 14 años de datos de IceCube. Los flujos de rayos X ( $F_X$ ) se toman del BAT AGN Spectroscopic Survey (BASS), corregidos por absorción.
Construcción de la verosimilitud: Los autores construyen una verosimilitud gaussiana en el espacio de luminosidad. La señal de neutrinos prevista depende de la constante de Hubble a través de la distancia de luminosidad $d_L(z, H_0)$ . Específicamente, la señal esperada escala como $d_L^{2(\beta-1)}$ . Si $\beta = 1$ (el límite calorimétrico), la dependencia de la distancia se cancela, haciendo que el método sea ciego a $H_0$ . Por lo tanto, se requiere una pendiente distinta de la unidad para la medición.
Inferencia estadística: Se realiza un análisis de Monte Carlo por Cadenas de Markov (MCMC) sobre el espacio de parámetros $\{H_0, \beta, d_{1068}\}$ . La normalización $\kappa$ se perfila analíticamente en cada evaluación de la verosimilitud. El análisis tiene en cuenta las velocidades peculiares y las correcciones de desplazamiento al rojo en el marco del CMB, particularmente para fuentes de bajo desplazamiento al rojo.

Resultados clave
Utilizando la muestra de 12 fuentes, los autores reportan la primera medición de la constante de Hubble utilizando neutrinos astrofísicos de alta energía:
$H_0 = 49^{+40}_{-30} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1} \quad (68\% \text{ intervalo de credibilidad})$
El análisis proporciona simultáneamente la primera medición a nivel de población de la pendiente de luminosidad neutrino–rayos X:
$\beta = 0.67^{+0.16}_{-0.25} \quad (68\% \text{ intervalo de credibilidad})$

Hallazgos clave e implicaciones físicas

Pendiente sub-calorimétrica: Los datos prefieren una pendiente sublineal ( $\beta < 1$ ), excluyendo el límite calorimétrico ( $\beta = 1$ ) aproximadamente a $2\sigma$ . Esto sugiere que en estas coronas de Seyfert, la producción de neutrinos se vuelve menos eficiente por unidad de luminosidad de rayos X a medida que la fuente brilla más. Los autores sugieren que esto puede deberse al enfriamiento por sincrotrón de piones/muones secundarios o a pérdidas por producción de pares Bethe–Heitler en coronas densas y magnetizadas.
Consistencia con otras sondas: El valor medido de $H_0$ es consistente tanto con el valor de Planck CMB ( $67.4 \pm 0.5$ ) como con el valor de Cefeidas–supernovas de SH0ES ( $73.0 \pm 1.0$ ) dentro de $1\sigma$ , aunque la gran incertidumbre impide que esta medición resuelva actualmente la tensión de Hubble.
Libertad de sistemáticas: La medición está libre de sistemáticas de propagación electromagnética (extinción, dispersión). Las principales incertidumbres surgen de las estadísticas de conteo por fuente de los datos de neutrinos y de la dispersión intrínseca en la relación $L_\nu$ – $L_X$ (absorbida en la incertidumbre del flujo de rayos X).

Significancia y reclamos
El artículo afirma demostrar la viabilidad de los neutrinos de alta energía como una novedosa sonda cosmográfica. Su principal significancia radica en establecer un nuevo peldaño en la escalera de distancias cósmicas donde los fotones solo se requieren en el anclaje local (NGC 1068) y nunca a lo largo de la trayectoria de propagación hacia el observador. Aunque la precisión actual está limitada por el pequeño tamaño de la muestra y el área efectiva de IceCube, los autores proyectan que el próximo observatorio IceCube-Gen2, con un aumento de $\sim 8\times$ en el área efectiva, podría reducir la incertidumbre sobre $H_0$ a $\sim 16\text{--}20 \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$ con $\sim 50$ fuentes resueltas. El trabajo establece que los neutrinos pueden proporcionar restricciones de distancia independientes que son inmunes a las sistemáticas de polvo y absorción que limitan a todas las demás sondas de distancia actuales.

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