Astrónomos y astrofísicos de cinco colaboraciones diferentes de matriz de sincronización de púlsares anunciaron hoy datos que sugieren fuertemente la presencia de un fondo de ondas gravitacionales: un murmullo constante de ondas de baja frecuencia en el espacio-tiempo que emana de algunos de los objetos más exóticos del universo.
El descubrimiento es una afirmación de sugerencias anteriores de los datos de tiempo de púlsar que una señal de baja frecuencia de las fuentes con mayor fuerza gravitacional del universo (muy posiblemente agujeros negros supermasivos que están destinados a colisionar) impregna el cosmos.
Los nuevos hallazgos fueron realizados por el Conjunto de sincronización de púlsares de China (CPTA), el Conjunto de sincronización de púlsares europeo (EPTA), el Conjunto de sincronización de púlsares de la India (InPTA), el Conjunto de sincronización de púlsares de Parkes (PPTA) y el Observatorio norteamericano de nanohercios para la gravedad. Ondas (NANOGrav). Las últimas cuatro colaboraciones son colectivamente el International Pulsar Timing Array (IPTA), y mientras que el “consorcio de consorcios” ha publicado datos dos veces antes, no participó en las publicaciones de hoy.
El principal candidato para las fuentes del fondo de ondas gravitacionales son los agujeros negros supermasivos binarios, o pares de estos objetos ridículamente masivos que se orbitan entre sí a lo largo de cientos de millones de años, y finalmente se fusionan en uno de los eventos más extremos del universo. Aunque se predijo, nunca se han confirmado observacionalmente binarios de agujeros negros supermasivos.
“La señal esperada es el océano de ‘fondo’ aleatorio de estas ondas gravitacionales, que es la suma de las ondas de cada agujero negro supermasivo binario del universo”, dijo Daniel Reardon, astrónomo de la Universidad Tecnológica de Swinburne y miembro de OzGrav. , en un correo electrónico a Gizmodo. “Observar este fondo de ondas gravitacionales tiene consecuencias importantes para nuestra comprensión de la historia de formación de nuestro universo, porque los agujeros negros supermasivos son los motores en el corazón de las galaxias”.
Las ondas gravitacionales fueron predichas por primera vez por Einstein en su teoría de la relatividad general. Como descrito por Einstein, las ondas son cambios en un campo gravitatorio que viajan a la velocidad de la luz. De hecho, las ondas gravitacionales surgen de las interacciones sísmicas de los objetos más masivos y compactos del universo. Cuando los agujeros negros orbitan o chocan entre sí, u otros objetos muy densos como las estrellas de neutrones, la interacción produce ondas gravitacionales.
Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo extremadamente densas con campos gravitatorios tan fuertes que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Las estrellas de neutrones son remanentes estelares superlativamente antiguos que son tan densos que los electrones que giran alrededor de sus átomos constituyentes han colapsado en los protones de los átomos, convirtiendo a la estrella entera en un gran neutrón. A detección confirmada de una fusión de estrellas de neutrones y agujeros negros se hizo por primera vez en 2021.
Las ondas gravitacionales se detectaron por primera vez en 2015, un siglo después de que Einstein las predijera, por el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (o LIGO, ahora parte de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA). LIGO detectó ondas en el espacio-tiempo utilizando mediciones muy precisas de la distancia entre espejos en túneles subterráneos en Washington y Luisiana.
Cuando las ondas gravitacionales viajan a través de la Tierra, cambian muy levemente las distancias entre los espejos de LIGO, medidas con luz láser, lo que indica que el propio espacio-tiempo se ha aplastado o estirado.
Pero el fondo de ondas gravitacionales es una señal mucho más sutil que las ondas gravitacionales que detecta LIGO. Las ondas gravitacionales de LIGO provienen de las fusiones (un término cortés para las uniones violentas) de agujeros negros de masa estelar, que son exactamente como suenan: agujeros negros del tamaño de una estrella.
Aunque es una señal mucho más silenciosa que la emitida por las fusiones de agujeros negros de masa estelar, se teoriza que el fondo de ondas gravitacionales emana de los objetos más masivos de la naturaleza: agujeros negros supermasivos, miles de millones de veces la masa de nuestro Sol, orbitando entre sí en una última. atracción fatal.
“No se han confirmado ejemplos de estos binarios en estudios electromagnéticos, aunque existen muchos candidatos convincentes”, dijo Luke Kelley, astrofísico de la Universidad de California en Berkeley y miembro de la colaboración NANOGrav, en una conferencia de prensa celebrada ayer.
“Las propiedades del fondo de ondas gravitacionales que estamos midiendo son totalmente consistentes con las expectativas teóricas para los agujeros negros supermasivos binarios”, agregó Kelley. “Al mismo tiempo, sin embargo, también son consistentes con la nueva física”.
Puedes pensar en las ondas gravitacionales de LIGO como grandes oleajes en el océano cósmico; para llevar a cabo la analogía, las constantes ondulaciones sutiles y dinámicas de ese océano son equivalente al fondo de ondas gravitacionales.
La mejor manera de ver ese océano es usando púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente y emiten pulsos de luz hacia la Tierra con una fiabilidad temporal notable. Los púlsares actúan como faros cósmicos para detectar el fondo de ondas gravitacionales.
Así como un grupo de antenas parabólicas de radiotelescopios pueden formar una matriz (un gran telescopio), los datos de ondas de radio de un grupo de púlsares se pueden unir para formar una matriz del tamaño de una galaxia. Las ondas gravitacionales detectadas por los conjuntos de sincronización de púlsares pueden tener 10 años luz de largo (90 billones de kilómetros) de cresta a cresta. según un comunicado de la NSF.
Los resultados se publicaron simultáneamente en varios artículos. Las portadas del set NANOGrav la evidencia para el fondoel observaciones de los púlsares, caracterización del detector NANOGravy una obra que explora cómo podría ser la nueva física en los datos del equipo. Los resultados de la CPTA fueron publicado en Investigación en Astronomía y Astrofísica, y los hallazgos de la PPTA se publicaron en The Astrophysical Journal Letters and Publications of the Astronomical Society of Australia.
El equipo de NANOGrav dará una conferencia de prensa de sus hallazgos desde la sede de la Fundación Nacional de Ciencias en Alexandria, Virginia, mañana a la 1:00 p. m. ET. La conferencia de prensa será transmitido en vivo en YouTube aquí.
El conjunto de datos de 12,5 años de NANOGrav, publicado en 2021, fue un indicio convincente de que el fondo de ondas gravitacionales estaba ahí fuera, pero los nuevos datos, su conjunto de datos de 15 años, incluyen evidencia de correlaciones espaciales que acompañan a una señal de ondas gravitacionales. Eso aumenta la probabilidad de que la señal que están viendo sea real.
“En este momento, estamos viendo una señal que es básicamente la misma en todo el cielo. A medida que aumente nuestra sensibilidad, comenzaremos a ver cómo se distribuye la señal por el cielo”, dijo Joseph Simon, astrónomo de la Universidad de Colorado Boulder y miembro de la colaboración NANOGrav, en un correo electrónico a Gizmodo.
La distribución de la señal revelaría puntos calientes del fondo, o regiones donde las fuentes de fondo de ondas gravitacionales son particularmente ruidosas. Eso podría deberse a su masa o a su proximidad a los detectores humanos.
Simon agregó que, a medida que los binarios de agujeros negros supermasivos se acercan, su señal de onda gravitacional sinusoidal se convierte más en un “chirrido” al que los conjuntos de sincronización de púlsares no son sensibles.
“Ninguno es mejor o peor en términos de proporcionar evidencia de la GWB, sin embargo, los sistemas binarios SMBH individuales son una forma de ayudar a determinar si la fuente de la GWB vista por los PTA proviene de los binarios SMBH en lugar de otra fuente cosmológica, como la inflación. ”, agregó Simón.
Para ver los “chirridos” de los agujeros negros supermasivos a punto de fusionarse, Simon dijo que los astrónomos necesitarán la Antena espacial de interferómetro láser, o LISA. LISA es una misión planificada de la Agencia Espacial Europea (ESA) que consistirá en tres naves espaciales que orbitarán entre sí al estilo kubrickiano, formando un triángulo en el espacio con lados de 1,5 millones de millas (2,41 millones de kilómetros).
LISA detecta ondas gravitacionales de la misma manera que LIGO, pero a una escala mucho más masiva. Los brazos de LIGO tienen 2,5 millas (4 kilómetros) de largo, absolutamente microscópicos en comparación con el observatorio de ondas gravitacionales basado en el espacio planeado.
Además de LISA, la tercera publicación de datos de IPTA seguramente arrojará resultados interesantes que consolidarán los hallazgos de cada una de las matrices de sincronización de púlsares que operan en todo el mundo.
Los nuevos conjuntos de datos resuelven la creciente probabilidad de un fondo de ondas gravitacionales, pero también plantean nuevas preguntas.
“Inesperadamente, descubrimos que la cantidad de espacio-tiempo que se contrae y se estira debido a las ondas gravitacionales parece estar creciendo con el tiempo”, dijo Andrew Zic, astrónomo de CSIRO que codirigió el análisis de PPTA, en un correo electrónico a Gizmodo. “La causa subyacente de esto es un misterio para nosotros, pero si no es un problema aún no descubierto en el modelo que usamos, podría ser algo inesperado e interesante sobre las propias ondas gravitacionales”.
Fijar el fondo de ondas gravitacionales daría pistas a los astrofísicos sobre la evolución de los agujeros negros supermasivos; se observa una escasez de agujeros negros de masa intermedia en el universo, lo que dificulta que los científicos comprendan cómo emergen las masas miles de millones de veces la de nuestro Sol. Los agujeros negros supermasivos pueden haber sido omnipresentes en el universo primitivotambién, plantea preguntas sobre qué tan rápido pueden crecer los objetos.
“Nuestros experimentos son una de las únicas formas en que podemos encontrar evidencia directa de pares de estos agujeros negros supermasivos que eventualmente se fusionarán”, agregó Zic, y “al estudiar estas ondas gravitacionales, podremos comprender la forma en que las galaxias se fusionaron. a lo largo de la historia cósmica con más detalle.”
Ya sea que los binarios de agujeros negros supermasivos sean los únicos culpables del aparente fondo de ondas gravitacionales, o no sean los culpables en absoluto, en lugar de la nueva física, es seguro que más datos sacudirán el cosmos.
Los rumores de los objetos más grandiosos del universo finalmente se están desvelando porque los científicos lograron crear observatorios a partir de las estrellas mismas. Diría que el cielo es el límite, pero sería una gran subestimación.
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