La cosmología vive un momento dramático: los dos métodos más precisos para medir la velocidad de expansión del universo arrojan resultados incompatibles. Por un lado, el análisis de la radiación de fondo cósmico realizado por el satélite Planck apunta a un valor de unos 67 (km/s)/Mpc dentro del modelo cosmológico estándar. Por otro, la escalera de distancias calibrada con cefeidas y supernovas da cerca de 73. Esta discrepancia, conocida como «tensión de Hubble», ha alcanzado un nivel de 6σ y podría indicar nueva física. El problema es que ambos enfoques dependen de cadenas de suposiciones: ya sea sobre la naturaleza de la materia oscura y el universo temprano, o sobre la calibración multietapa de objetos astrofísicos. Para intervenir como árbitro independiente, los científicos recurrieron a dos fenómenos predichos por Georges Lemaître y Edwin Hubble: las ondas gravitacionales provenientes de la fusión de objetos compactos y la curvatura del espacio-tiempo que crea lentes gravitatorias.
El nuevo método combina dos técnicas, cada una de por sí un triunfo de la astrofísica moderna. La primera son las «sirenas estándar»: ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones, registradas por los detectores LIGO, Virgo y KAGRA. La amplitud de la onda proporciona directamente la distancia a la fuente, sin necesidad de una escalera de calibración, como predijo en 1986 Rainer Weiss, uno de los fundadores de LIGO. Del catálogo GWTC-4 se seleccionaron 142 eventos (principalmente fusiones de agujeros negros) con una tasa de falsas alarmas inferior a 0,25 por año. Para aquellos sin una «contraparte» electromagnética (las «sirenas oscuras»), el corrimiento al rojo se estima estadísticamente a partir de catálogos de galaxias y propiedades de la población. La segunda técnica es la lente gravitatoria fuerte: galaxias masivas distorsionan la luz de los cuásares de fondo, creando múltiples imágenes que llegan con diferentes retrasos temporales. Este retraso depende de la geometría del universo y permite calcular una combinación de distancias conocida como distancia de retardo temporal. La unión se realiza mediante la «regla de suma de distancias», una relación geométrica válida en el marco de la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, sin suposiciones sobre la composición específica del universo. Las ondas gravitacionales calibran las distancias absolutas, y las lentes proporcionan un «armazón» geométrico que permite extraer H₀.
El análisis, realizado con herramientas bayesianas, arrojó H₀ = 83,78⁺¹²·⁵³₋₁₀·₂₃ (km/s)/Mpc con una precisión relativa del 13,6% al utilizar el modelo poblacional FullPop-4.0 y solo dos lentes: RX J1131-1231 y WGD 2038-4008. Aunque el valor central está sesgado hacia valores más altos que los de Planck y SH0ES, los intervalos del 68% se superponen con todas las mediciones clave, incluidas las «tempranas» y las «tardías». Curiosamente, al reemplazar el tratamiento conservador jerárquico del lensado (que considera las incertidumbres asociadas a la degeneración de la hoja de masa — mass-sheet degeneracy) por el método más simple H0LiCOW, la precisión aumenta al 5,6% (H₀ = 75,4 ± 4,2). Esto subraya que el principal freno a la precisión hoy en día no son las estadísticas de eventos de ondas gravitacionales, sino las incertidumbres sistemáticas en el modelado de las lentes. La adición de muestras externas de lentes SLACS y SL2S apenas mejoró la precisión, solo desplazó el valor central a 88. La razón es una dispersión interna significativa en el parámetro de transformación de la hoja de masa entre las lentes SLACS, revelada por nuevos datos espectroscópicos de JWST y VLT.
El trabajo demuestra que el método, independiente del modelo cosmológico, ya es capaz de proporcionar restricciones significativas sobre la constante de Hubble. Aunque la precisión actual no es suficiente para resolver la tensión de Hubble, confirma la validez fundamental del enfoque. Es importante destacar que el resultado no se basa ni en suposiciones sobre la composición del universo (como en la radiación de fondo) ni en una calibración multietapa (como en la escalera de distancias). Se trata de un arbitraje verdaderamente «imparcial». Además, el análisis reveló el papel crítico de los sistemáticos del lensado fuerte, lo que impulsa un estudio más profundo de la distribución de masa en las galaxias lente y el papel de la materia oscura.
El futuro del método está ligado a dos direcciones. Por el lado de las ondas gravitacionales: más eventos de futuras temporadas de observación, especialmente a altos corrimientos al rojo, permitirán ampliar la calibración de distancias e incluir más sistemas lente. Por el lado de las lentes: nuevos sistemas con retrasos medidos, una cinemática estelar espacialmente resuelta de mayor calidad (gracias a JWST y los Telescopios Extremadamente Grandes) y una mejor comprensión de la convergencia externa reducirán el impacto de la transformación de la hoja de masa. La sinergia de estas mejoras podría reducir el error a un pequeño porcentaje y resolver definitivamente el enigma de la constante de Hubble.
La metodología tendrá un impacto en la cosmología observacional y la física fundamental. Proporcionará una verificación independiente para futuras misiones como Euclid y el Telescopio Espacial Roman, y ayudará a identificar errores sistemáticos en los métodos tradicionales. Además, un valor preciso de H₀ es crucial para comprender la naturaleza de la energía oscura.
Los próximos pasos incluyen el análisis de nuevos datos de ondas gravitacionales (O4b y O5), la búsqueda de más cuásares lentes con retrasos medibles en los relevamientos del Observatorio Rubin/LSST, y el desarrollo de modelos poblacionales más robustos de objetos compactos para mejorar la inferencia estadística de los corrimientos al rojo.
La investigación está directamente relacionada con uno de los problemas no resueltos más acuciantes de la física moderna: la tensión de Hubble, que podría indicar física no contabilizada, como energía oscura temprana, partículas relativistas adicionales o gravedad modificada. También aborda el problema de la hoja de masa en el lensado, que limita la precisión de todos los métodos que utilizan lentes fuertes y está vinculada a la comprensión de la distribución de materia oscura en las galaxias.
🎯 El método de las sirenas estándar se propuso ya en 1986, pero la primera sirena «brillante» (GW170817 con una kilonova) no se detectó hasta 2017. Desde entonces, los detectores LIGO, Virgo y KAGRA observan fusiones de agujeros negros casi semanalmente. Y el récord de la fusión más distante hasta la fecha es de unos 9 mil millones de años luz.
🎬 La idea de las lentes gravitatorias como «telescopios cósmicos» aparece a menudo en la ciencia ficción. Por ejemplo, en la novela «La luz de las estrellas lejanas» (The Light of Distant Stars), los astrónomos utilizan el lensado para mirar al pasado del universo. Y el uso de ondas gravitacionales para la navegación y medición de distancias cósmicas recuerda el concepto de «cartografía gravitacional» del ciclo «El universo de fuego».