The road to $H_0$, $\Omega_m$, and $w$ with a global neutrino-telescope network

El universo se está expandiendo, pero los astrónomos no logran ponerse de acuerdo sobre qué tan rápido lo hace. Un método, que observa el resplandor remanente del Big Bang, sugiere una velocidad específica. Otro método, que mide las distancias a estrellas cercanas que explotan, sugiere una más rápida. Este desacuerdo, conocido como la tensión de Hubble, es uno de los misterios más apremiantes de la cosmología moderna. Para resolverlo, los científicos necesitan una forma completamente nueva de medir las distancias cósmicas, una que se base en supuestos diferentes y evite los errores potenciales de los métodos existentes. Durante décadas, los neutrinos de alta energía —partículas fantasmales que atraviesan el universo casi sin ser tocadas por la materia— han sido una posibilidad tentadora para tal herramienta, pero han sido demasiado tenues y raros para proporcionar una respuesta clara.

Un nuevo estudio propone una forma de convertir estas esquivas partículas en una regla cósmica precisa. Al combinar datos de una red global de detectores de neutrinos con observaciones de rayos X de galaxias activas, los investigadores han trazado un camino para medir la tasa de expansión del universo con mucha mayor exactitud que nunca. El trabajo sugiere que para 2030, un esfuerzo coordinado entre telescopios en el Ártico, el Mediterráneo y la Antártida podría determinar la tasa de expansión con un margen de error de apenas unos pocos puntos porcentuales. Más que un simple número, este enfoque ofrece una nueva perspectiva sobre las fuerzas invisibles que dan forma al cosmos, revelando potencialmente nuevos detalles sobre la densidad de la materia y la naturaleza de la energía oscura.

La clave de este nuevo método reside en una conexión sorprendente entre dos tipos de luz muy diferentes. Las galaxias activas, específicamente un tipo llamado galaxias Seyfert, están alimentadas por agujeros negros supermasivos en sus centros. A medida que el gas gira hacia estos agujeros negros, se calienta y emite rayos X. Al mismo tiempo, el entorno violento acelera partículas para crear neutrinos de alta energía. Observaciones recientes han revelado un patrón consistente: cuanto más brillante es una galaxia en rayos X, más neutrinos produce. Esta relación actúa como una vela estándar. Si los científicos saben cuánta luz de rayos X debería emitir una galaxia basándose en su producción de neutrinos, pueden comparar ese brillo predicho con lo que realmente se observa. Debido a que la luz y los neutrinos viajan a la misma velocidad y no se atenúan por el polvo intermedio a través de estas vastas distancias, cualquier diferencia en el brillo les indica exactamente qué tan lejos está la galaxia.

Hasta ahora, este método se había visto limitado por el número de galaxias que podemos ver y la precisión de nuestros instrumentos. El presente estudio realiza la primera medición exitosa de esta técnica y proyecta cómo mejorará en los próximos años. Los investigadores comenzaron con datos de IceCube, un enorme detector de neutrinos enterrado en el hielo de la Antártida. Combinaron esto con un nuevo análisis de galaxias del hemisferio sur, que anteriormente eran difíciles de observar porque aparecen por debajo del horizonte para el detector antártico. Al añadir datos de otros dos grandes detectores, KM3NeT en el Mar Mediterráneo y Baikal-GVD en el Lago Baikal, el equipo creó una red global que puede ver todo el cielo.

Los resultados de esta red global son impactantes. La medición actual de la tasa de expansión del universo, conocida como la constante de Hubble, tiene un margen de error amplio, que varía considerablemente. El nuevo análisis, utilizando datos existentes, la refina con un valor central de 66. Mirando hacia el futuro, en 2030, cuando los nuevos detectores estén plenamente operativos y se haya recolectado más información, se espera que la incertidumbre se reduzca drásticamente. El pronóstico sugiere que la medición se estrechará, con un valor central de 66. Esto representa una reducción de la incertidumbre de casi dos tercios, poniendo la medición basada en neutrinos en un enfoque mucho más nítido.

Junto con la tasa de expansión, el estudio también clarifica la relación entre las emisiones de rayos X y de neutrinos. Los datos apuntan a una pendiente matemática específica que describe cómo escalan entre sí los dos tipos de luz. Los datos actuales sugieren que esta pendiente es de aproximadamente 0,72, lo que significa que la producción de neutrinos crece más lentamente que la de rayos X. Para 2030, los investigadores proyectan que podrán medir esta pendiente con tal precisión que podrán descartar definitivamente un modelo "calorimétrico" más simple, donde ambos crecerían al mismo ritmo. Esta confirmación de la pendiente específica es crucial porque valida el modelo físico utilizado para convertir los conteos de neutrinos en mediciones de distancia.

El poder de esta red se extiende más allá de simplemente medir qué tan rápido se expande el universo hoy. Los investigadores proponen que si esta misma relación se mantiene para una población de galaxias muy distantes, de alto desplazamiento al rojo —específicamente una clase de objetos rojos y compactos descubiertos recientemente por el Telescopio Espacial James Webb—, estos neutrinos podrían utilizarse para sondear la historia de la expansión del universo. Al extender la escala de distancias hacia estas fuentes lejanas, la red de neutrinos podría proporcionar mediciones independientes de la densidad de la materia en el universo y de las propiedades de la energía oscura, la fuerza misteriosa que impulsa la expansión acelerada. Aunque esta aplicación futura depende del supuesto de que estos objetos distantes siguen las mismas reglas que las galaxias cercanas, el potencial para probar estos parámetros cosmológicos fundamentales con un nuevo tipo de mensajero cósmico es un paso significativo hacia adelante.

Lograr estos resultados requerirá una estrecha cooperación entre las comunidades de neutrinos y de rayos X. La precisión de las mediciones de distancia depende en gran medida de conocer el brillo exacto en rayos X de algunas galaxias "ancla" clave. Mejorar los modelos que explican cómo el gas absorbe los rayos X en estas galaxias, y dedicar más tiempo de observación a ellas, será tan importante como construir mejores detectores de neutrinos. El camino hacia una comprensión más clara de la expansión del universo no consiste solo en capturar más partículas; se trata de refinar toda la cadena de observación, desde la absorción de la luz en galaxias distantes hasta la detección de partículas fantasmales en la Tierra. A medida que la red global entre en funcionamiento en la próxima década, promete transformar a los neutrinos de curiosidades raras en una herramienta robusta e independiente para mapear el cosmos.