A principios de este año, después de 15 años de investigación, los científicos finalmente escucharon el ruido de fondo de las ondas gravitacionales de baja frecuencia que llenan nuestro universo. Ahora puede comenzar el arduo trabajo de encontrar la fuente de estas ondas en el espacio-tiempo.
Actualmente, los principales sospechosos en este caso son pares de agujeros negros supermasivos con masas millones, si no miles de millones, de veces mayores que las del sol. Sin embargo, eso no significa que no haya lugar para algunos sospechosos inusuales, lo que podría orientarnos en la dirección de una nueva física.
El avance fue realizado por investigadores del Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav) colaboración que analizó 68 estrellas de neutrones que giran rápidamente, también conocidas como púlsares, que barren la radiación a través de la Tierra a intervalos regulares. Este tipo de actividad permite que los púlsares se transformen en un reloj cósmico muy preciso llamado «red de sincronización de púlsares».
A medida que las ondas gravitacionales se propagan por todo el cosmos, provocan que el tejido mismo del espacio y el tiempo, o espacio-tiempo, sea aplastado y comprimido. Los datos que rodean este efecto se pueden combinar con estas redes de sincronización de púlsares para eventualmente crear una señal detectable o «espectro» que los científicos puedan estudiar.
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Sin embargo, esta no es la primera vez que se detectan ondas gravitacionales. Las identificaciones anteriores se realizaron con el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) de 2015, pero el punto es que se trataba de ondas gravitacionales de mayor frecuencia y longitud de onda más corta de diferentes tipos de fuentes, como agujeros negros de masa estelar.
«Lo más importante que distingue a estas ondas gravitacionales detectadas por NANOGrav es la longitud de onda. Estas ondas gravitacionales son mucho más largas», dijo Scott Ransom, un Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO)) astrónomo y ex presidente de NANOGrav, le dijo a Space.com.
Ransom también comparó la diferencia con el fenómeno familiar de las frecuencias electromagnéticas: «Si lo piensas en términos del espectro electromagnético, NANOGrav es como la radioastronomía y LIGO es como la astronomía de rayos X».
Esta diferencia en la frecuencia de longitud de onda entre los dos tipos de ondas gravitacionales es enorme.
Para poner esto en perspectiva, las ondas gravitacionales detectadas por LIGO expresan longitudes de onda de miles de millas (o km) de longitud y mantienen frecuencias de milisegundos a segundos. Las nuevas ondas gravitacionales detectadas por NANOGrav, por otro lado, tienen longitudes de onda en la escala de miles de millones de millas (o km). Esto es similar a la distancia entre el sol y su estrella vecina, Próxima Centauri, que tiene una asombrosa longitud de 20 años luz. Además, las longitudes de onda gravitacionales de NANOGrav tienen frecuencias en escalas de años en lugar de meros segundos.
Concretamente, esto significa que los científicos deben acumular más de 15 años de datos de NANOGrav para confirmar la detección de ondas gravitacionales de baja frecuencia. Pero, cuando lo hace, vale la pena la espera.
Esto se debe a que estos resultados tienen la capacidad de señalarnos nueva información sobre nuestro universo.
«Los experimentos de la red de sincronización de Pulsar son definitivamente experimentos a largo plazo con los que hay que ser muy paciente porque nuestra señal aumenta lentamente con el tiempo», dijo Ransom. «La detección de ondas gravitacionales de baja frecuencia significa que provienen de fuentes muy diferentes a las fuentes LIGO y Virgo, que son agujeros negros de masa estelar y fusiones de estrellas de neutrones».
Principal sospechoso: binarios de agujeros negros supermasivos
Ransom es parte de una colaboración de investigadores que creen que las ondas gravitacionales de baja frecuencia, incluidas las detectadas por NANOGrav, pueden provenir de una fuente bastante increíble. Podrían provenir, dice el equipo, de cientos de miles de pares de agujeros negros supermasivos que, durante los 13.800 millones de años de historia cósmica, se han acercado lo suficiente como para fusionarse.
Ransom explicó que las ondas gravitacionales provendrían de pares de agujeros negros supermasivos a medida que los objetos orbitan durante cientos de miles de años. Pero esa emisión de ondas se detendrá un día, dijo, cuando las ondas hayan robado suficiente momento angular de los agujeros negros para hacer que se fusionen.
«Fue entonces cuando estaban bombeando estas grandes ondas gravitacionales masivas y desperdiciando su energía para que finalmente chocaran», dijo Ransom. «Pero no sabíamos cuántos de estos binarios de agujeros negros supermasivos había, y no sabíamos qué tan masivos eran, y todo eso determina cuándo finalmente se van a detectar ondas gravitacionales».
La detección del equipo coincidió con lo que los científicos habían esperado descubrir durante mucho tiempo sobre los binarios de agujeros negros supermasivos.
«Durante muchas décadas, los teóricos han planteado la hipótesis de que los binarios de agujeros negros supermasivos deberían producir una señal con características similares a NANOGrav y otras matrices de sincronización de púlsares», dijo el astrofísico Luke Zoltan Kelly, teórico de la Universidad Northwestern e investigador de NANOGrav, en Space.com. «Para la mayoría de la comunidad, los binarios de agujeros negros supermasivos son la mejor estimación natural de lo que produce el fondo de ondas gravitacionales».
Esto no significa que el caso esté «cerrado». Los investigadores necesitan más que evidencia circunstancial para señalar algo tan significativo como la presencia de binarios de agujeros negros supermasivos en nuestro universo.
«El desafío con los binarios es que ningún ejemplo de binarios de agujeros negros supermasivos se ha confirmado completamente antes, por lo que no sabemos con certeza si existen estos objetos increíbles», dijo Zoltan Kelley. «Dicho esto, sería un dolor de cabeza aún mayor si no existieran, porque sabemos que las galaxias contienen agujeros negros supermasivos y sabemos que las galaxias se fusionan como una parte normal de su evolución».
Este misterio cósmico se ve agravado por el hecho de que hay otros equipos en el caso con sospechosos más exóticos de emisores de ondas gravitacionales de baja frecuencia en mente.
Los sospechosos (inusuales)
Zoltan Kelley señaló a Space.com que además de los binarios, hay una serie de nuevos modelos en cosmología y física de partículas que, en las circunstancias adecuadas, también podrían producir un fondo de ondas gravitacionales similar al detectado por NANOGrav.
«Por ejemplo, el axión o la materia oscura ‘difusa’, las cuerdas cósmicas, las transiciones de fase inflacionarias y muchos más», dijo el astrofísico del Noroeste. «Lo que es realmente emocionante acerca de estas posibilidades es que cada uno de estos patrones es un intento de explicar algunos de los mayores misterios que existen actualmente en nuestro universo».
Estos incluyen la naturaleza de la materia oscura, una forma de materia que constituye aproximadamente el 85% de las «cosas» en el universo, pero permanece efectivamente invisible porque no interactúa con la luz, y cuyo enigma provocó la expansión del universo. empezar a acelerar de nuevo después del Big Bang.
«En mi opinión, esto es beneficioso para todos. Si el contexto es cosmológico, transformará por completo nuestra comprensión del universo y la física fundamental, potencialmente uno de los mayores descubrimientos en la historia de la ciencia», continuó Zoltan Kelley. «Si, en cambio, el fondo proviene de viejos y aburridos agujeros negros supermasivos binarios, exploramos cómo los objetos más masivos del universo pueden emparejarse y girar juntos mientras emiten más energía que la mayoría de las galaxias enteras durante su vida».
Afortunadamente, hay una forma en que los científicos pueden confirmar la fuente de estas ondas gravitacionales, particularmente si las ondas tienen una dirección preferida en el cielo, lo que significa que vienen con más fuerza y brillo desde una dirección.
«El siguiente paso es determinar con certeza de dónde provienen estas ondas gravitacionales», dijo Zoltan Kelley. «Creemos que podemos hacer esto mapeando las diferencias en sus magnitudes en diferentes partes del cielo. Si los binarios producen el fondo, esperamos poder ver las diferencias en el brillo de las diferentes partes del cielo, mientras que si la fuente es cosmológico, como cuerdas cósmicas o transiciones de fase, entonces el fondo de ondas gravitacionales debería ser casi perfectamente uniforme en todo el cielo».
Los astrofísicos del Noroeste agregaron que el equipo también está emocionado de llevar esta investigación un paso más allá al posiblemente detectar los agujeros negros individuales que se unieron para crear este fondo de ondas gravitacionales en primer lugar.
«Sería una oportunidad increíble encontrar estas fuentes utilizando telescopios electromagnéticos tradicionales», agregó Zoltan Kelley. «Estamos trabajando muy duro para descubrir qué tipos de firmas electromagnéticas insinuarían la presencia de un agujero negro binario en un núcleo galáctico activo (AGN) o cuásar para que podamos comenzar a buscarlos».
Incluso antes de que los investigadores de NANOGrav puedan finalmente identificar las fuentes de las ondas gravitacionales de baja frecuencia, la mera detección de dos variedades de estos ruidos del espacio-tiempo es asombrosa. Es particularmente sorprendente cuando Albert Einstein, el hombre que predijo por primera vez las ondas gravitacionales en su teoría de la gravedad de la relatividad general en 1915, también predijo que estas ondas en el espacio-tiempo serían demasiado pequeñas para ser detectadas por la humanidad.
«Creo que es sorprendente, por un lado, que el estado de la tecnología y la investigación astronómica haya avanzado tanto que en una década hayamos abierto dos ventanas completamente independientes al universo de ondas gravitacionales», dijo Ransom.
Los detalles de la búsqueda de ondas gravitacionales de baja frecuencia de NANOGrav durante 15 años se revelan en un artículo publicado el 1 de agosto en Cartas del Diario Astrofísico.
