En la interpretación de este artista, un par de agujeros negros supermasivos (arriba a la izquierda) emiten ondas gravitacionales que se propagan a través del tejido del espacio-tiempo. Estas ondas gravitacionales aprietan y estiran los caminos de las ondas de radio emitidas por los púlsares (blanco). A través de una cuidadosa medición de las ondas de radio, un equipo de científicos realizó recientemente la primera detección del fondo de ondas gravitacionales en el universo. Crédito: Aurore Simonnet por la cooperación con NANOGrav
Después de 15 años de recopilar datos en un experimento del tamaño de una galaxia, los científicos han “escuchado” por primera vez el coro constante de ondas gravitacionales que recorren nuestro universo, y más fuerte de lo esperado.
El innovador descubrimiento fue realizado por científicos del Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav), que estaban observando de cerca estrellas llamadas púlsares que actúan como metrónomos celestes. Las ondas gravitacionales recién detectadas – ondas en el tejido del espacio-tiempo – son, con mucho, las más poderosas jamás medidas: transportan alrededor de un millón de veces más energía que los estallidos únicos de ondas gravitacionales de las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones detectadas por experimentos como LIGO y Virgo.
La mayoría de las ondas gravitacionales gigantes probablemente son producidas por pares de agujeros negros supermasivos que se mueven en espiral hacia colisiones catastróficas en todo el cosmos, informan los científicos de NANOGrav en una serie de nuevos artículos publicados hoy en Cartas de una revista de astrofísica.
“Es como un coro donde todos estos pares de agujeros negros supermasivos suenan en diferentes frecuencias”, dice la científica de NANOGrav Chiara Mingarelli, quien trabajó en los nuevos descubrimientos mientras era investigadora asociada en el Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron en Nueva York. . York. “Esta es la primera evidencia de un fondo de ondas gravitacionales. Hemos abierto una nueva ventana para observar el universo”.
La existencia y la composición del fondo de las ondas gravitacionales, teorizadas durante mucho tiempo pero nunca antes escuchadas, proporcionan un tesoro oculto de nuevos conocimientos sobre preguntas antiguas, desde el destino de pares de agujeros negros supermasivos hasta la frecuencia de las fusiones de galaxias.
Por ahora, NANOGrav solo puede medir el fondo general de las ondas gravitacionales, no la radiación de los cantantes individuales. Pero incluso eso trajo sorpresas.
“El fondo de ondas gravitacionales es aproximadamente el doble de fuerte de lo que esperaba”, dice Mingarelli, ahora profesor asistente en la Universidad de Yale. “Este es realmente el límite superior de lo que nuestros modelos pueden crear a partir de agujeros negros supermasivos”.
El asombroso volumen puede deberse a restricciones experimentales oa agujeros negros supermasivos más pesados y numerosos. Pero también existe la posibilidad de que algo más esté generando poderosas ondas gravitacionales, dice Mingarelli, como los mecanismos predichos por la teoría de cuerdas o explicaciones alternativas para el nacimiento del universo. “Lo siguiente es todo”, dice. “Este es solo el comienzo.”
Impresión artística de ondas gravitacionales de un par de agujeros negros en órbita (visible en el extremo izquierdo). Las ondas pasan por varios púlsares y la Tierra (derecha). Crédito: Keyi “Onyx” Li/Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
Un experimento en toda la galaxia
Llegar a este punto ha sido un desafío a largo plazo para el equipo de NANOGrav. Las ondas gravitacionales que buscaron no se parecen a nada medido antes. A diferencia de las ondas de alta frecuencia detectadas por instrumentos terrestres como LIGO y Virgo, el fondo de las ondas gravitacionales consiste en ondas de frecuencia ultrabaja. Pueden pasar años o incluso décadas para que una ola suba y baje a la vez. Debido a que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, una sola longitud de onda puede tener una longitud de decenas de años luz.
Ningún experimento en la Tierra ha sido capaz de detectar ondas tan colosales, por lo que el equipo de NANOGrav miró hacia las estrellas. Observaron cuidadosamente los púlsares, los restos ultradensos de estrellas masivas que se han convertido en supernovas. Los púlsares actúan como balizas estelares al disparar haces de ondas de radio desde sus polos magnéticos. A medida que los púlsares giran rápidamente (a veces cientos de veces por segundo), estos rayos barren el cielo y aparecen desde nuestro punto de vista en la Tierra como pulsos rítmicos de ondas de radio.
El Very Large Array en Nuevo México recopiló datos que contribuyeron a la detección del fondo de ondas gravitacionales del universo. Fuente: NRAO/AUI/NSF
Los impulsos llegan a la Tierra como un metrónomo perfectamente sincronizado. El tiempo es tan preciso que cuando Jocelyn Bell midió las primeras ondas de radio del púlsar en 1967, los astrónomos pensaron que podrían ser señales de una civilización extraterrestre.
A medida que la onda gravitacional pasa entre nosotros y el púlsar, interrumpe la sincronización de las ondas de radio. Esto se debe a que, como predijo Albert Einstein, las ondas gravitacionales estiran y comprimen el espacio a medida que ondulan a través del espacio, cambiando la distancia que deben recorrer las ondas de radio.
Durante 15 años, los científicos de NANOGrav de los Estados Unidos y Canadá han estado midiendo con precisión pulsos de ondas de radio de púlsares de decenas de milisegundos en nuestra galaxia utilizando el Observatorio de Arecibo en Puerto Rico, el Telescopio Green Bank en Virginia Occidental y el Very Large Array en Nuevo México. . Los nuevos hallazgos son el resultado de un análisis detallado de una serie de 67 púlsares.
“Los púlsares son en realidad fuentes de radio muy débiles, por lo que necesitamos miles de horas al año en los telescopios más grandes del mundo para realizar este experimento”, dice Maura McLaughlin de la Universidad de West Virginia, codirectora del NANOGrav Physics Frontiers Center. “Estos resultados son posibles gracias al compromiso continuo de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) con estos observatorios de radio extremadamente sensibles”.
Detección de fondo
En 2020, con poco más de 12 años de datos, los científicos de NANOGrav comenzaron a ver signos de una señal, un “zumbido” adicional común a todos los púlsares en una matriz de sincronización. Ahora, después de tres años de observaciones adicionales, han acumulado evidencia concreta del fondo de ondas gravitacionales.
“Ahora que tenemos evidencia de ondas gravitacionales, el siguiente paso es usar nuestras observaciones para estudiar las fuentes que producen este ruido”, dice Sarah Vigeland de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee, presidenta del grupo de trabajo de detección de NANOGrav.
Las fuentes más probables del fondo de ondas gravitacionales son pares de agujeros negros supermasivos atrapados en una espiral de muerte. Estos agujeros negros son realmente colosales y contienen miles de millones de masas solares. Casi todas las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, tienen al menos uno de los gigantes en su núcleo. Cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros supermasivos pueden encontrarse y comenzar a orbitar entre sí. Con el tiempo, sus órbitas se estrechan a medida que el gas y las estrellas pasan entre los agujeros negros y roban energía.
Eventualmente, los agujeros negros supermasivos se acercan tanto que el robo de energía se detiene. Algunos estudios teóricos han argumentado durante décadas que los agujeros negros se detienen indefinidamente cuando están separados por aproximadamente 1 parsec (unos tres años luz). Esta teoría de “cerrar pero no cigarro” se conoció como el problema del parsec final. En este escenario, solo grupos raros de tres o más agujeros negros supermasivos causan fusiones.
Sin embargo, los pares de agujeros negros supermasivos pueden tener un as bajo la manga. Pueden emitir energía en forma de poderosas ondas gravitacionales mientras orbitan entre sí hasta que finalmente chocan en un final catastrófico. “Una vez que dos agujeros negros se acerquen lo suficiente como para ser vistos por las líneas de tiempo de los púlsares, nada impedirá que se fusionen en unos pocos millones de años”, dice Luke Kelley, de la Universidad de California, Berkeley, presidente del grupo de astrofísica NANOGrav.
Los púlsares son estrellas de neutrones de giro rápido que emiten haces estrechos y anchos de ondas de radio. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA
La existencia del fondo de ondas gravitacionales encontrado por NANOGrav parece confirmar esta predicción, lo que podría poner fin al problema final del parsec.
Dado que los pares de agujeros negros supermasivos se forman por fusiones de galaxias, la abundancia de sus ondas gravitacionales ayudará a los cosmólogos a estimar con qué frecuencia las galaxias han chocado en la historia del universo. Mingarelli, la investigadora postdoctoral Deborah C. Good de CCA y la Universidad de Connecticut y sus colegas estudiaron la intensidad de fondo de las ondas gravitacionales. Estiman que el universo está habitado por cientos de miles, posiblemente un millón o más, de sistemas de agujeros negros binarios supermasivos.
Fuentes alternativas
Sin embargo, no todas las ondas gravitacionales detectadas por NANOGrav provienen de pares de agujeros negros supermasivos. Otras propuestas teóricas también predicen ondas en el rango de frecuencia ultra baja. La teoría de cuerdas, por ejemplo, predice que los defectos unidimensionales llamados cuerdas cósmicas pueden haberse formado en el universo primitivo. Estas cuerdas pueden disipar energía emitiendo ondas gravitacionales. Otra propuesta sugiere que el universo no comenzó con un Big Bang, sino con un Big Bounce cuando el universo precursor colapsó sobre sí mismo antes de expandirse hacia afuera. En tal historia de origen, las ondas gravitacionales del incidente aún estarían ondeando a través del espacio-tiempo.
También existe la posibilidad de que los púlsares no sean los detectores de ondas gravitacionales perfectos que los científicos creen que son y, en cambio, puedan tener alguna variabilidad desconocida que distorsione los resultados de NANOGrav. “No podemos acercarnos a los púlsares y encenderlos y apagarlos nuevamente para ver si hay algún problema técnico”, dice Mingarelli.
El equipo de NANOGrav espera estudiar todos los contribuyentes potenciales al fondo de ondas gravitacionales recién descubierto mientras continúa monitoreando los púlsares. El grupo planea desglosar el fondo en función de las frecuencias de las ondas y los orígenes en el cielo.
Un esfuerzo internacional
Afortunadamente, el equipo de NANOGrav no está solo en su búsqueda. Varios artículos publicados hoy por una colaboración que utiliza telescopios en Europa, India, China y Australia insinúan la misma señal de fondo de ondas gravitacionales en sus datos. A través del consorcio International Pulsar Timing Array, los grupos están reuniendo sus datos para caracterizar mejor la señal e identificar sus fuentes.
“Nuestros datos combinados serán mucho más poderosos”, dice Stephen Taylor de la Universidad de Vanderbilt, quien codirigió la nueva investigación y ahora preside la colaboración NANOGrav. “Estamos emocionados de descubrir qué secretos revelará sobre nuestro universo”.
Proporcionado por la Fundación Simons