Estamos al borde de escuchar el zumbido de fondo del universo. He aquí por qué estamos escuchando : Heaven32

El Universo debería estar tarareando.

Cada supernova, cada fusión entre estrellas de neutrones o agujeros negros, incluso estrellas de neutrones solitarias que giran rápidamente, podría o debería ser una fuente de ondas gravitacionales.

Eventualmente, la rápida inflación del espacio que siguió al Big Bang hace 13.800 millones de años debería haber producido su propia cascada de ondas gravitacionales.

Como una piedra arrojada a un estanque, estos eventos masivos deberían enviar ondas que reverberan a través de la estructura misma del espacio-tiempo: débiles expansiones y contracciones del espacio que podrían detectarse como discrepancias en lo que deberían ser señales cronometradas con precisión.

Colectivamente, esta mezcla de señales se combina para formar un zumbido aleatorio o ‘estocástico’ conocido como el fondo de ondas gravitacionales, y es posiblemente una de las detecciones más buscadas en la astronomía de ondas gravitacionales.

La nueva frontera en la exploración espacial

Se cree, tal como lo hizo antes (y continúa haciéndolo) el descubrimiento del fondo cósmico de microondas, que encontrar el fondo de ondas gravitacionales ampliará nuestra comprensión del Universo y su evolución.

“La detección de un fondo estocástico de radiación gravitacional puede proporcionar una gran cantidad de información sobre las poblaciones y los procesos de fuentes astrofísicas en el Universo muy primitivo, a los que no se puede acceder por ningún otro medio”, explica la física teórica Susan Scott de la Universidad Nacional de Australia y el Centro ARC. de Excelencia para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales.

“Por ejemplo, la radiación electromagnética no proporciona una imagen del Universo anterior al momento de la última dispersión (alrededor de 400.000 años después del Big Bang). Sin embargo, las ondas gravitacionales pueden brindarnos información desde el inicio de la inflación. , solo ∼10^-32 segundos después del Big Bang”.

Para comprender la importancia del fondo de ondas gravitacionales, debemos hablar un poco sobre otra reliquia del Big Bang: el fondo cósmico de microondas, o CMB.

Momentos después de que nuestro Universo comenzara a funcionar y el espacio comenzara a enfriarse, la espuma burbujeante que era todo se congeló en una sopa opaca de partículas subatómicas en forma de plasma ionizado.

Cualquier radiación que emergió con él se dispersó, impidiendo que llegara a una gran distancia.. No fue hasta que estas partículas subatómicas se recombinaron en átomos, una era conocida como la Época de la Recombinación, que la luz pudo moverse libremente por el Universo. y hacia abajo a través de los eones.

El primer destello de luz estalló en el espacio alrededor de 380.000 años después del Big Bang y, a medida que el Universo creció y creció en los siguientes miles de millones de años, esta luz fue arrastrada a todos los rincones. Todavía está a nuestro alrededor hoy. Esta radiación es extremadamente débil pero detectable, particularmente en longitudes de onda de microondas. Este es el CMB, la primera luz del Universo.

Las irregularidades en esta luz, denominadas anisotropías, fueron causadas por pequeñas fluctuaciones de temperatura representadas por esa primera luz. Es difícil exagerar cuán fenomenal fue su descubrimiento: el CMB es una de las únicas sondas que tenemos del estado del Universo primitivo.

El descubrimiento del fondo de ondas gravitacionales sería una magnífica réplica de este logro.

“Esperamos que la detección y el análisis del fondo de ondas gravitacionales revolucionen nuestra comprensión del Universo”, dice Scott, “de la misma manera que lo hizo la observación del fondo cósmico de microondas y sus anisotropías”.

El zumbido más allá del boom-crash

La primera detección de ondas gravitacionales se realizó hace poco tiempo, en 2015.

Dos agujeros negros que chocaron hace aproximadamente 1.400 millones de años enviaron ondas que se propagaron a la velocidad de la luz; en la Tierra, estas expansiones y contracciones del espacio-tiempo desencadenaron muy débilmente una instrumento

Fue una detección monumental por varias razones. Nos dio la confirmación directa, por primera vez, de la existencia de agujeros negros.

Confirmó una predicción hecha por la Teoría General de la Relatividad 100 años antes de que las ondas gravitacionales son reales.

Y significó que esta herramienta, el interferómetro de ondas gravitacionales, en el que los científicos habían estado trabajando durante años, revolucionaría nuestra comprensión de los agujeros negros.

Y tiene. Los interferómetros LIGO y Virgo han detectado casi 100 eventos de ondas gravitacionales hasta la fecha: aquellos lo suficientemente fuertes como para producir una señal marcada en los datos.

Estos interferómetros usan láseres que iluminan túneles especiales de varios kilómetros de largo. Estos láseres se ven afectados por el estiramiento y compresión del espacio-tiempo producido por las ondas gravitacionales, lo que genera un patrón de interferencia a partir del cual los científicos pueden inferir las propiedades de los objetos compactos que generan las señales.

Pero el fondo de ondas gravitacionales es una bestia diferente.

“Un fondo astrofísico es producido por el ruido confuso de muchas fuentes astrofísicas débiles, independientes y no resueltas”, dice Scott.

“Nuestros detectores de ondas gravitacionales terrestres LIGO y Virgo ya han detectado ondas gravitacionales de decenas de fusiones individuales de un par de agujeros negros, pero se espera que el trasfondo astrofísico de las fusiones de agujeros negros binarios de masa estelar sea una fuente clave de GWB para esta generación actual de detectores. Sabemos que hay un gran número de estas fusiones que no se pueden resolver individualmente, y juntas producen un zumbido de ruido aleatorio en los detectores”.

Se desconoce la velocidad a la que los agujeros negros binarios chocan en el Universo, pero la velocidad a la que podemos detectarlos nos da una línea de base a partir de la cual podemos hacer una estimación.

Los científicos creen que es entre alrededor de una fusión por minuto y varias por hora, y la señal detectable de cada una dura solo una fracción de segundo. Estas señales aleatorias individuales probablemente serían demasiado débiles para detectarlas, pero se combinarían para crear un ruido de fondo estático; los astrofísicos lo comparan con el sonido de palomitas de maíz explotando

Esta sería la fuente de una señal de onda gravitacional estocástica que podríamos esperar encontrar con instrumentos como los interferómetros LIGO y Virgo. Estos instrumentos se encuentran actualmente en mantenimiento y preparación y se les unirá un tercer observatorio, KAGRA en Japónen una nueva carrera de observación en marzo de 2023. Una detección de la GWB de palomitas de maíz por esta colaboración es no fuera de la cuestión.

Sin embargo, estas no son las únicas herramientas en el kit de ondas gravitacionales. Y otras herramientas podrán detectar otras fuentes del fondo de ondas gravitacionales. Una de esas herramientas, todavía a 15 años de distancia, es el Antena espacial de interferómetro láser (LISA)que se lanzará en 2037.

Se basa en la misma tecnología que LIGO y Virgo, pero con “brazos” de 2,5 millones de kilómetros de largo. Operará en un régimen de frecuencia mucho más bajo que LIGO y Virgo y, por lo tanto, detectará diferentes tipos de eventos de ondas gravitacionales.

“El GWB no siempre es como palomitas de maíz”, dice Scott a Heaven32.

“También puede consistir en señales deterministas individuales que se superponen en el tiempo produciendo un ruido de confusión, similar a las conversaciones de fondo en una fiesta. Un ejemplo de ruido de confusión es la radiación gravitatoria producida por la población galáctica de enanas blancas compactas binarias. Esto será una fuente importante de ruido de confusión para LISA. En este caso, la señal estocástica es tan fuerte que se convierte en un primer plano, actuando como una fuente adicional de ruido cuando se trata de detectar otras señales de ondas gravitacionales débiles en la misma banda de frecuencia”.

En teoría, LISA también podría detectar fuentes cosmológicas del fondo de ondas gravitacionales, como la inflación cósmica justo después del Big Bang o las cuerdas cósmicas: grietas teóricas en el Universo que podría haberse formado al final de la inflación, perdiendo energía a través de ondas gravitacionales.

Cronometrando el pulso del cosmos

También hay un enorme observatorio de ondas gravitacionales a escala galáctica que los científicos han estado estudiando para buscar indicios del fondo de ondas gravitacionales: matrices de sincronización de púlsares. Los púlsares son un tipo de estrella de neutrones, los restos de estrellas que alguna vez fueron masivas y que han muerto en una supernova espectacular, dejando atrás solo un núcleo denso.

Los púlsares giran de tal manera que los rayos de emisión de radio de sus polos barren la Tierra, como un faro cósmico; algunos de ellos lo hacen a intervalos increíblemente precisos, lo que es útil para una variedad de aplicaciones, como la navegación.

Pero, en teoría, el estiramiento y la contracción del espacio-tiempo deberían producir pequeñas irregularidades en la sincronización de los destellos de púlsares.

Un púlsar que muestre ligeras inconsistencias en el tiempo podría no significar mucho, pero si un grupo de púlsares mostrara inconsistencias en el tiempo correlacionadas, eso podría ser indicativo de ondas gravitacionales producidas por la inspiración de agujeros negros supermasivos.

Los científicos han encontrado tentadores indicios de esta fuente de fondo de ondas gravitacionales en los conjuntos de sincronización de púlsares, pero aún no tenemos suficientes datos para determinar si ese es el caso.

Estamos tan tentadoramente cerca de una detección del fondo de ondas gravitacionales: el fondo astrofísico, que revela el comportamiento de los agujeros negros en todo el Universo; y el trasfondo cosmológico: las fluctuaciones cuánticas vistas en el CMB, la inflación, el propio Big Bang.

Esto, dice Scott, es la ballena blanca: la que solo veremos después del difícil trabajo de separar el fondo en las fuentes discretas que componen el todo ruidoso.

“Mientras esperamos una gran cantidad de información proveniente de la detección de un fondo producido astrofísicamente, la observación de ondas gravitacionales del Big Bang es realmente el objetivo final de la astronomía de ondas gravitacionales”, dice.

“Al eliminar este primer plano binario del agujero negro, los detectores terrestres propuestos de tercera generación, como el Telescopio Einstein y el Explorador Cósmico, podrían ser sensibles a un fondo producido cosmológicamente con 5 años de observaciones, ingresando así al ámbito donde pueden realizarse importantes observaciones cosmológicas. hacerse.”