Nuevo método utiliza cuásars para medir distancias cósmicas

Un equipo internacional de científicos ha desarrollado un método para determinar las distancias a los quásares en el universo. Esto podría permitir  utilizar los cuásares como candelas estándar.Los investigadores encontraron patrones característicos de la luz emitida por un grupo de  cuásares y aseguran que estas regularidades están directamente relacionados con el desplazamiento al rojo de estos objetos. Esto les permite obtener de forma fiable el desplazamiento al rojo desconocido (como de rápido se están alejando los objetos entre sí en el universo en expansión) de un cuásar del corrimiento hacia el rojo conocido de otro.

Los astrónomos están siempre dispuestos a encontrar nuevos métodos más precisos para medir distancias cósmicas y la expansión del universo. ” Las candelas estándar”, como las Cefeidas y las supernovas han jugado un papel importante en la astronomía. De hecho, el descubrimiento de la expansión acelerada del universo a través de observaciones de supernovas distantes hizo ganar a Saul Perlmutter, Adam Riess y Brian Schmidt el Premio Nobel de Física el año pasado. Pero el uso de supernovas para medir las distancias extremas del universo tiene sus problemas; la supernova más lejana conocida se encuentra en un corrimiento al rojo de alrededor de 1,7 y realizar mediciones fiables a distancias superiores no es posible con este método. Además, los astrónomos tienen que esperar  que se produzcan supernovas y, a continuación tienen una breve ventana de tiempo para hacer sus observaciones.

Contrariamente, el cuásar más lejano se ha encontrado en un corrimiento al rojo de alrededor de 7,1, por lo que permite ver mucho más atrás en los inicios del universo. Además, los quásares son algunos de los objetos más brillantes del universo, ya diferencia de las supernovas pueden ser estudiados en escalas de tiempo mucho más largas. Por desgracia, los quásares emiten diferentes cantidades de luz en todas las longitudes de onda, y esto hace que sean muy difíciles de utilizar para medir distancias cosmológicas usando la relación luminosidad-distancia. No fue hasta el año pasado que otro equipo de investigadores demostró que era posible utilizar la relación de luminosidad de radio de núcleos galácticos activos -un tipo de cuásar- para determinar su distancia y su uso como candelas estándar.

Pero como suele suceder, los quásares también tienen regularidades en sus curvas de luz -la forma en que el brillo se atenúa con el tiempo- que fácilmente podrían ser usadas para determinar sus corrimientos hacia el rojo. Dejan Stojkovic, de la Universidad Estatal de Nueva York (SUNY) en Buffalo, EE.UU., y sus colegas encontraron que el uso de las curvas de luz para calcular el desplazamiento al rojo de un cuásar, podía, independiente de su relación luminosidad-distancia, permitiría que los cuásares se utilizarán como candelas estándar. Los investigadores estudiaron los datos disponibles  de la curva de luz del Proyecto de Objetos Compactos Masivos de Halo (MACHO), que se concentraron en quásares detrás de las nubes de Magallanes.

“Potencialmente, los quásares son candelas estándar mucho mejores, pero todavía no los conocemos lo suficientemente bien”, dijo Stojkovic. “Hasta que nos dimos cuenta de que las curvas de luz de los quásares seguían ciertas pautas; regularidades no conocidas que no habían sido estudiados. Y eso es porque se ven completamente diferentes a primera vista”, explica.

El equipo trazó una gráfica del flujo de un cuásar  a “tiempo real”, y esto, de acuerdo con Stojkovic, fue crucial. “La mayoría de las veces, para las variaciones de los cuásares se traza su magnitud absoluta, que es un registro del flujo;. Mientras que el flujo es energía real emitida por unidad de tiempo. Así que todos nuestros valores son valores ‘reales’”, dice. El equipo también transforma todos los valores de referencia en reposo del quásar, de modo que los valores calculados para las cantidades eran exactamente como que se emiten. Luego, los investigadores sólo tuvieron que llevar a cabo transformaciones globales para asegurarse de que no estaban cambiando la física de cualquiera de los valores observados.

El equipo encontró que los datos de las curvas de luz de diferentes quásares diferentes coincidían cuando las gráficas se superponían. Esto llevó a la conclusión de que si las curvas de luz eran similares, entonces el corrimiento al rojo de un cuásar podría ser utilizado para calcular el desplazamiento al rojo de otro quasar desconocido, usando sólo la curva de luz del segundo. Para poder hacer esto, los investigadores desarrollaron y probaron dos métodos independientes.

En el primer método, los investigadores  identificaban los segmentos de línea recta en sus gráficas y eran estas pendientes las que parecían estar directamente relacionadas con el desplazamiento al rojo de los quásares. Entonces, igualando la pendiente de un quásar con un corrimiento al rojo conocido, determinaron el corrimiento al rojo del cuásar desconocido. Prueba de esto es que utilizando los quásares con desplazamientos hacia el rojo y etiquetando uno conocido como “desconocido” los investigadores obtuvieron valores muy precisos.

El segundo método es más que una toma estadística de  lecturas de la curva de luz, de acuerdo con Stojkovic. Una vez más, se utilizaron dos cuásares, ambos con corrimientos al rojo conocidos, pero se consideró uno de ellos como “desconocido”. Entonces, en vez de utilizar sólo los segmentos de línea recta de las curvas, que coinciden con una parte considerable de las curvas de luz, fueron capaces de “encajar” las relaciones de corrimiento al rojo de los quásares muy de cerca. “Esto significa que cuando teníamos el mejor ajuste para las curvas de luz, tuvimos el corrimiento al rojo, y ésta era la parte realmente emocionante”, explica Stojkovic.

Ambas técnicas sugieren que los patrones curva de luz  compartidos por diferentes cuásares podrían permitir que sean utilizados como relojes estándar, o candelas, en combinación con diferentes cálculos de distancias y luminosidad. Sin embargo, Stojkovic se apresura a señalar que su método está todavía muy verde, ya que es más una “prueba de concepto” por ahora, que otra cosa.

Esto se debe a la técnica requiere de alta calidad en los datos de observación de los cuásares, donde se observa cada cuásar de modo individual durante un mínimo de 90 días o más para ver las regularidades. Como no se tenía conocimiento de estas regularidades, estos datos son todavía escasos. De los 56 cuásares observados en los datos del proyecto MACHO, sólo 14 tenían datos suficientes para que el equipo pudiera utilizarlos. “Fue muy alentador que nuestros métodos funcionaran a la perfección para los 14 quasares con información suficiente, pero son necesarios muchos más datos”, dice Stojkovic. También señala que podría ser posible que el método pudiera funcionar sólo para un tipo de quásar, y no ser capaz de igualar las curvas de luz de todos los cuásares, pero para asegurar esto, se deben hacer  pruebas una vez más.

“Si bien nuestro método puede no ser inmediatamente útil, podría convertirse en una norma en el futuro El sistema que se utiliza actualmente para detectar planetas extrasolares, (donde nos fijamos en ellos en tránsito a través de una estrella) se desarrolló en la década de 1980, pero no tenían la tecnología actual para captar una señal lo suficientemente fuerte. Pero ahora, se usa de manera rutinaria”, dice Stojkovic.

En los próximos meses Stojkovic está dispuesto a automatizar todo el proceso de colocación de sus distintos gráficos. En la actualidad, esto se hace “visualmente” y eliminar por completo la intervención humana podría acelerar el proceso, permitiendo que muchos más datos pudieran ser procesados con mayor precisión. El hermano de Stojkovic y miembro del equipo, Branislav Stojkovic, del departamento de ciencias de la computación en SUNY, está ayudando a desarrollar los algoritmos que puedan igualar las curvas 1D de los quásares. Más datos y métodos de procesamiento más rápidos dirán con el tiempo si los quásares reemplazarán a las supernovas como marcadores de distancia y tiempo de nuestro universo.

La investigación se publicará en la revista Physical Review Letters  y ya ahí disponible una pre impresión online en arXiv

Autor: Tushna Commissariat

Enlace original: Quasars shine a new light on cosmic distances