Crédito: OzGrav/Swinburne/Carl Knox
Cuando los agujeros negros y otros objetos extremadamente masivos y densos giran uno alrededor del otro, envían ondas a través del espacio y el tiempo llamadas ondas gravitacionales. Estas ondas son una de las pocas formas de estudiar los misteriosos gigantes cósmicos que las componen.
Los astrónomos han observado el “chirrido” de alta frecuencia de los agujeros negros en colisión, pero el retumbo de muy baja frecuencia de los agujeros negros supermasivos que orbitan entre sí ha resultado más difícil de detectar. Durante décadas, hemos estado observando púlsares, un tipo de estrella que pulsa como un faro, en busca de las débiles ondulaciones de estas ondas.
Actualmente, las colaboraciones de investigación de púlsares en todo el mundo, incluida la nuestra, The Tabla de tiempos Parkes Pulsarellos fueron anunciados evidencia más fuerte hasta ahora por la existencia de estas ondas.
¿Qué son las ondas gravitacionales?
En 1915, el físico alemán Albert Einstein proporcionó una visión innovadora de la naturaleza de la gravedad: la relatividad general.
La teoría describe el universo como un “tejido” de cuatro dimensiones llamado espacio-tiempo que puede estirarse, comprimirse, doblarse y torcerse. Los objetos masivos distorsionan este tejido, provocando la gravedad.
Una consecuencia interesante de esta teoría es que el movimiento de objetos masivos debería producir ondas en este tejido, llamadas ondas gravitacionales, que se propagan a la velocidad de la luz.
Se necesita una gran cantidad de energía para producir la más pequeña de estas arrugas. Por esta razón, Einstein estaba convencido de que las ondas gravitacionales nunca podrían observarse directamente.
Cien años después, los científicos de LIGO y Virgo presenciaron la colisión de dos agujeros negros, que enviaron una serie de ondas gravitacionales que se extendieron por todo el universo.
Ahora, siete años después de este descubrimiento, radioastrónomos de Australia, China, Europa, India y América del Norte han encontrado evidencia de ondas gravitacionales de muy baja frecuencia.
El lento retumbar de las ondas gravitacionales
A diferencia del repentino estallido de ondas gravitacionales registrado en 2016, estas ondas gravitacionales de muy baja frecuencia tardan años o incluso décadas en oscilar.
Se espera que sean producidos por pares de agujeros negros supermasivos que orbitan los núcleos de galaxias distantes en todo el universo. Para encontrar estas ondas gravitacionales, los científicos necesitarían construir un detector del tamaño de una galaxia.
También podemos utilizar púlsares que ya están dispersos por la galaxia y cuyos pulsos llegan a nuestros telescopios con la regularidad de relojes precisos.
radiotelescopio CSIRO Parkes, Murriyang, ha estado observando varios de estos púlsares durante casi dos décadas. Nuestro Tabla de tiempos Parkes Pulsar equipo es una de las pocas colaboraciones en todo el mundo que tienen anunciado hoy rastros de ondas gravitacionales en sus últimos conjuntos de datos.
Otras colaboraciones en China (CPTA), Europa e India (EPTA e InPTA) y América del Norte (NANOGrav) están reportando señales similares.
A medida que las ondas gravitacionales doblan el espacio-tiempo alrededor de la Tierra, distorsionan los tiempos de llegada de las ondas de radio de púlsares distantes. Crédito: OzGrav/Swinburne/Carl Knox
La señal que estamos buscando es un “océano” aleatorio de ondas gravitacionales producidas por todos los pares de agujeros negros supermasivos del universo.
La observación de estas ondas no es solo otro triunfo de la teoría de Einstein, sino que tiene importantes implicaciones para nuestra comprensión de la historia de las galaxias en el universo. Los agujeros negros supermasivos son motores en el corazón de las galaxias que se alimentan de gas y regulan la formación de estrellas.
La señal aparece como un retumbar de baja frecuencia común a todos los púlsares del sistema. A medida que las ondas gravitacionales inundan la Tierra, afectan la velocidad aparente de rotación de los púlsares.
El estiramiento y compresión de nuestra galaxia por estas ondas finalmente cambia las distancias a los púlsares en solo unas pocas decenas de metros. Eso no es mucho cuando los púlsares suelen estar a unos 1.000 años luz de distancia (o a unos 10.000.000.000.000.000.000 de metros).
Curiosamente, podemos observar estos cambios en el espacio-tiempo como retrasos de pulsos de nanosegundos que los radioastrónomos pueden rastrear con relativa facilidad porque los púlsares son relojes naturales muy estables.
¿Qué se ha anunciado?
Dado que las ondas gravitacionales de muy baja frecuencia oscilan durante años, se espera que la señal aparezca lentamente.
Primero, los radioastrónomos observaron un trueno común en púlsares, pero su origen era desconocido.
Ahora, una huella digital de onda gravitacional única está comenzando a aparecer como un atributo de esta señal, observada por cada una de las matrices de púlsares en todo el mundo.
Esta huella dactilar describe una relación especial entre la similitud de los retrasos de los pulsos y el ángulo de separación entre pares de púlsares en el cielo.
La relación surge porque el espacio-tiempo en la Tierra se estira, cambiando las distancias a los púlsares de una manera que depende de su dirección. Por ejemplo, los púlsares que están muy juntos en el cielo dan una señal más similar que los púlsares que están separados en ángulo recto.
El avance fue posible gracias a la mejora de la tecnología en nuestros observatorios. Parkes Pulsar Timing Array tiene el conjunto más largo de datos de alta calidad debido al receptor avanzado y la tecnología de procesamiento de señales instalada en Murriyang. Esta tecnología permitió al telescopio descubrir muchos de los mejores púlsares utilizados en colaboración en todo el mundo para buscar ondas gravitacionales.
Los resultados anteriores de nuestra colaboración y otros han demostrado que las observaciones de púlsares carecían de la señal esperada de las ondas gravitacionales.
Ahora parece que estamos viendo la señal con relativa claridad. Al segmentar nuestro conjunto de datos largos en “fracciones de tiempo” más cortas, mostramos que la señal parece aumentar con el tiempo. Se desconoce el motivo de esta observación, pero es posible que las ondas gravitacionales se comporten de manera inesperada.
La nueva evidencia de ondas gravitacionales de muy baja frecuencia es emocionante para los astrónomos. Para confirmar estas firmas, la colaboración global deberá combinar sus conjuntos de datos, haciéndolos mucho más sensibles a las ondas gravitacionales.
Actualmente se están realizando esfuerzos para crear este conjunto de datos combinados. Tabla de sincronización internacional de púlsares proyecto, cuyos miembros se reunieron la semana pasada en Port Douglas, Far North Queensland. Los futuros observatorios, como el Square Kilometer Array que se está construyendo en Australia y Sudáfrica, transformarán esta investigación en una rica fuente de conocimiento sobre la historia de nuestro universo.
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