El equipo de NANOGrav ha utilizado múltiples radiotelescopios, incluido el Telescopio Green Bank en West Virginia, para escuchar púlsares durante 15 años. Fuente: NRAO/AUI/NSF, CC BY
Un equipo internacional de astrónomos ha detectado aproximadamente señal débil ondas gravitacionales que se propagan por todo el universo. Usando estrellas muertas como una red gigante detectores de ondas gravitacionalescooperación – la llamada NANOGrav— fue capaz de medir el ruido de baja frecuencia del coro de ondas en el espacio-tiempo.
Soy astrónomo a quién estudia y sobre qué escribió cosmología, agujeros negros Y exoplanetas. estudié evolución de los agujeros negros supermasivos con el Telescopio Espacial Hubble.
Si bien los miembros del equipo detrás de este nuevo descubrimiento aún no están seguros, sospechan que el ruido de fondo de las ondas gravitacionales que midieron fue causado por innumerables fusiones antiguas de agujeros negros supermasivos.
Uso de estrellas muertas en cosmología
Ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo causadas por objetos masivos que se aceleran. Albert Einstein predijo su existencia en su teoría general de la relatividad, en la que planteó la hipótesis de que cuando una onda gravitatoria viaja por el espacio, hace que el espacio se contraiga y luego se expanda periódicamente.
Los científicos detectaron por primera vez evidencia directa de ondas gravitacionales en 2015, cuando el observatorio de ondas gravitacionales interferométricas láser, conocido como LIGO, captó una señal de un par de agujeros negros fusionados que viajó 1.300 millones de años luz para llegar a la Tierra.
La colaboración NANOGrav también está tratando de detectar ondas en el espacio-tiempo, pero a escala interestelar. El equipo utilizó púlsares, estrellas muertas que giran rápidamente y emiten un haz de radio. Los púlsares son funcionalmente similares a los faros: cuando giran, sus rayos pueden barrer la Tierra a aproximadamente intervalos regulares.
El equipo de NANOGrav usó púlsares para esto girar increíblemente rápido— hasta 1000 veces por segundo — y estos pulsos se pueden registrar como un tic reloj cósmico extremadamente preciso. A medida que las ondas gravitacionales atraviesan el púlsar a la velocidad de la luz, las ondas se expanden ligeramente y reducen la distancia entre el púlsar y la Tierra, alterando ligeramente el tiempo entre tics.
Los púlsares son relojes tan precisos que puedes medir su tictac con una precisión de 100 nanosegundos. Esto permite a los astrónomos calcular la distancia interna entre el púlsar y la Tierra. 100 pies (30 metros). Las ondas gravitacionales cambian la distancia entre estos púlsares y la Tierra en decenas de millas, lo que hace que los púlsares sean lo suficientemente sensibles como para detectar este efecto.
Encontrar ruido en la cacofonía
Lo primero que tuvo que hacer el equipo de NANOGrav fue hacerse con el control ruido en su detector de ondas gravitacionales cósmicas. Esto incluía el ruido en los receptores de radio que usó y la astrofísica sutil que influye en el comportamiento de los púlsares. Incluso teniendo en cuenta estos efectos, el enfoque del equipo no fue lo suficientemente sensible para detectar ondas gravitacionales. Agujeros negros binarios supermasivos únicos. Sin embargo, tenía suficiente sensibilidad para detectar la suma de todas las colisiones masivas de agujeros negros que habían ocurrido en cualquier parte del universo desde el Big Bang, hasta un millón de señales superpuestas.
En una analogía musical, es como estar en el centro de una ciudad concurrida y escuchar el débil sonido de una sinfonía en algún lugar a lo lejos. No puede elegir un instrumento debido al ruido de los automóviles y las personas que lo rodean, pero puede escuchar el zumbido de cientos de instrumentos. El equipo debe haber extraído la firma de este onda gravitacional “fondo” de otras señales competidoras.
El equipo pudo detectar esta sinfonía midiendo una red de 67 púlsares diferentes durante 15 años. Si alguna perturbación en el tictac de un púlsar fuera causada por ondas gravitacionales del universo distante, todos los púlsares observados por el equipo se verían afectados de manera similar. El 28 de junio de 2023, el equipo publicó cuatro papeles describiendo su proyecto y la evidencia que encontró para el fondo de ondas gravitacionales.
El rumor encontrado en colaboración con NANOGrav es creado por la fusión de agujeros negros que son miles de millones de veces más masivos que el Sol. Estos agujeros negros giran uno alrededor del otro muy lentamente y producen ondas gravitacionales. frecuencia de una mil millonésima de hercio. Esto significa que las ondas del espacio-tiempo oscilan cada pocas décadas. Esta lenta oscilación de la onda es la razón por la cual el equipo tuvo que confiar en la sincronización increíblemente precisa de los púlsares.
Estas ondas gravitacionales son diferentes de las ondas que LIGO puede detectar. Las señales LIGO se crean cuando dos agujeros negros 10 a 100 masas solares se fusionan en un objeto que gira rápidamente, creando ondas gravitacionales que oscilan cientos de veces por segundo.
Si piensa en los agujeros negros como diapasones, cuanto más pequeño sea el evento, más rápido vibrará el diapasón y más alto será el tono. LIGO detecta ondas gravitacionales que “suenan” en el rango audible. Los agujeros negros se fusionan, el equipo de NANOGrav ha encontrado un “anillo” con una frecuencia miles de millones de veces demasiado baja para ser escuchada.
El telescopio espacial James Webb permitió a los astrónomos retroceder en el tiempo y estudiar las primeras galaxias que se formaron después del Big Bang. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI
Agujeros negros gigantes en el universo primitivo
Los astrónomos han estado interesados durante mucho tiempo en estudiar cómo aparecieron las estrellas y las galaxias después del Big Bang. Este nuevo descubrimiento del equipo de NANOGrav es como agregar otro color, las ondas gravitacionales, a una imagen del universo primitivo que apenas comienza a emerger, gracias en gran parte al Telescopio Espacial James Webb.
El principal objetivo científico. Telescopio espacial James Webb es ayudar a los científicos a estudiar cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias después del Big Bang. Para hacer esto, James Webb fue diseñado para detectar la luz tenue de estrellas y galaxias increíblemente distantes. Cuanto más lejos está un objeto, más tarda la luz en llegar a la Tierra, por lo que James Webb es efectivamente una máquina del tiempo que puede retroceder más de 13.500 millones de años para ver la luz de primeras estrellas y galaxias En el universo.
Tuvo mucho éxito en la tarea, habiéndola encontrado cientos de galaxias que inundó el universo de luz en los primeros 700 millones de años después del Big Bang. El telescopio también detectó agujero negro mas antiguo en el universo, está en el centro de una galaxia que se formó apenas 500 millones de años después del Big Bang.
Estos hallazgos desafían las teorías existentes sobre la evolución del universo.
Se tarda mucho tiempo crecer una galaxia masiva. Los astrónomos saben que los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de cada galaxia y tienen una masa proporcional a la de sus galaxias anfitrionas. Así que estas antiguas galaxias casi con certeza un agujero negro suficientemente masivo en sus centros.
El problema es que los objetos encontrados por James Webb son mucho más grandes de lo que la teoría actual dice que deberían ser.
Estos nuevos resultados del equipo NANOGrav llegan en la primera oportunidad que tienen los astrónomos de escuchar las ondas gravitacionales del universo antiguo. Los descubrimientos, aunque tentadores, no son lo suficientemente fuertes para anunciar un descubrimiento final. Es probable que eso cambie a medida que el equipo ha ampliado su red de púlsares. incluyendo 115 púlsares y debería recibir los resultados de esta próxima revisión alrededor de 2025. Mientras James Webb y otros investigadores desafían las teorías existentes sobre la evolución de las galaxias, la capacidad de estudiar la era posterior al Big Bang utilizando ondas gravitacionales podría ser una herramienta invaluable.
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