Es oficial. Hay algo ahí afuera que sacude las estrellas de una manera que ya no puede atribuirse al azar.
Varios equipos de todo el mundo han encontrado de forma independiente una señal en el momento de las estrellas parpadeantes llamadas púlsares que apunta a ondas gravitacionales gigantes de longitud de onda larga que se desplazan a través de la galaxia. Todavía no es una detección de esas ondas gravitacionales, pero hay más del 99 por ciento de posibilidades de que lo que estamos viendo sea algo significativo.
Los equipos de Australia, EE. UU., Europa, China e India están publicando sus resultados simultáneamente en una gran cantidad de documentos.
“Hemos estado en una misión durante los últimos 15 años para encontrar un zumbido de tono bajo de ondas gravitacionales resonando en todo el Universo y recorriendo nuestra galaxia para deformar el espacio-tiempo de una manera medible”, dijo el astrofísico Stephen Taylor de la Universidad de Vanderbilt y presidente de NANOGrav, el equipo en los EE. UU., dijo en una rueda de prensa.
“Estamos muy contentos de anunciar que nuestro arduo trabajo ha valido la pena y… tenemos pruebas emocionantes de este fondo de ondas gravitacionales”.
La astronomía de ondas gravitacionales es un campo relativamente nuevo, luego de la detección de ondas en el espacio-tiempo causadas por dos agujeros negros en colisión en 2015. Desde entonces, nuestros detectores de ondas gravitacionales basados en la Tierra han detectado casi 100 eventos de ondas gravitacionales confirmados en el momento de este escritura, todo creado por fusiones de objetos compactos de masa estelar: agujeros negros y estrellas de neutrones.
Las ondas gravitacionales son causadas por eventos masivos en el Universo. Imagine una colisión entre agujeros negros como una roca arrojada a un estanque y ondas gravitacionales generadas como ondas. El medio es el propio espacio-tiempo, y las ondas, que viajan a la velocidad de la luz, se propagan en todas direcciones, estirando y comprimiendo el espacio-tiempo de una manera que podemos detectar. Hemos explicado todos los antecedentes con mayor detalle aquí si desea profundizar más.
Ahora imagine cuántos agujeros negros deben estar chocando en el Universo. Y cuántos otros eventos masivos deben estar generando estas ondas. El espacio-tiempo debería estar absolutamente zumbando con ondas gravitacionales, pero hay un problema. La Tierra es simplemente demasiado pequeña para detectarlos en las longitudes de onda más largas en la escala de nanohercios que pueden extenderse por años luz, lo que se espera de eventos más masivos, como las fusiones de los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias.
Afortunadamente, sin embargo, vivimos en una galaxia que es mucho más grande que la Tierra. Y hay algo en nuestra galaxia que emite señales sincronizadas con mucha precisión que pueden verse afectadas por ondas gravitacionales de nanohercios: los radio púlsares. Estas son estrellas de neutrones que giran extremadamente rápido, con chorros de luz de radio saliendo de sus polos magnéticos. A medida que giran, estos rayos pasan por la Tierra como un faro cósmico, y debido a que la sincronización de estos pulsos es tan precisa, podemos usarlos para detectar la forma en que el espacio se estira y se contrae a medida que las ondas gravitacionales lo atraviesan.
Una pequeña falla en el tiempo no es suficiente. Pero si tiene suficientes púlsares con fallas correlacionadas durante un período de tiempo lo suficientemente largo, puede recopilar evidencia de una gran onda gravitacional. Esto es lo que hicieron los diferentes equipos de todo el mundo, estudiando un total de 115 púlsares entre ellos, durante un máximo de 18 años para el Parkes Pulsar Timing Array en Australia.
La onda gravitacional que pasa (en esta animación viene directamente a través de la pantalla de su computadora hacia usted) deformará el círculo de partículas de una manera característica. (La gente que sabe sabrá que este es solo un patrón posible: polarización lineal). 5/ pic.twitter.com/8FFJa97r3a
— Markus Pössel (@mpoessel) 25 de junio de 2023
“Una matriz de sincronización de púlsares es un detector de ondas gravitacionales a escala galáctica. Hemos detectado un ‘ruido’ común entre los púlsares de nuestra matriz: una señal a frecuencias ultrabajas”, dice el astrofísico Daniel Reardon de la PPTA y la Universidad de Swinburne en Australia. Alerta científica.
“Nosotros, junto con nuestros colegas internacionales, ahora también estamos viendo un indicio de la huella digital que identifica este estruendo como originado por ondas gravitacionales”.
Hemos tenido indicios de esta señal antes. En enero de 2021, NANOGrav publicó un artículo que detallaba lo que pensaban que era el primer indicio del fondo de ondas gravitacionales en sus datos de sincronización de púlsares. En enero de 2022, International Pulsar Timing Array hizo lo mismo con su conjunto de púlsares.
Ahora, después de un arduo trabajo para determinar que la señal no fue generada por los púlsares u otro ruido en los datos, los investigadores concluyeron que la señal es significativa.
La señal de NANOGrav tiene un nivel de confianza de 4 sigma en 67 púlsares, o 99,349 por ciento. La señal del PPTA tiene un nivel de confianza más bajo porque estudió menos púlsares; su detección se basa en solo 30 estrellas pero durante un período más largo. El estándar de oro para un descubrimiento es 5 sigma. Así que todavía hay mucho trabajo por hacer.
“Esto aún no es una detección de ondas gravitacionales”, dice Reardon. “Esta huella tendrá que volverse más clara, por ejemplo, mediante el uso de más datos, para confirmar esto como una detección de ondas gravitacionales. Sin embargo, esto es muy emocionante porque se esperaba que la huella digital emergiera lentamente en nuestros conjuntos de datos, como parece ser”. haciendo con la evidencia observada por la colección de colaboraciones de conjuntos de sincronización de púlsares”.
Debido a que aún no es una detección de ondas gravitacionales confirmada, los investigadores no pueden decir de manera concluyente qué lo está causando. La respuesta más obvia son los agujeros negros supermasivos. Las fusiones de agujeros negros supermasivos deberían ocurrir a un ritmo que llene el Universo con ruido de ondas gravitacionales, como el estruendo del mar.
No es la única fuente potencial del fondo de ondas gravitacionales. Cuerdas cósmicas, cambios de fase en el Universo, la rápida inflación del espacio que siguió al Big Bang: todo esto podría producir ondas gravitacionales de baja frecuencia. (El Big Bang también puede haberlo hecho, pero la longitud de onda sería del tamaño del Universo, algo para lo que definitivamente no tenemos un detector lo suficientemente grande).
Lo que probablemente estamos viendo en este momento es el fondo del agujero negro supermasivo.
“Sabemos que cada gran galaxia tiene un agujero negro supermasivo en su núcleo. También sabemos que las galaxias chocan y, cuando lo hacen, esperamos que los agujeros negros supermasivos se hundan en el centro y comiencen a girar unos alrededor de otros, emitiendo ondas gravitacionales. “Reardon explica.
“Cuanto más lejos miramos en el Universo, más de estos sistemas de agujeros negros supermasivos podemos ver. Una población muy grande de agujeros negros supermasivos en órbita en el Universo distante crea un océano aleatorio de ondas gravitacionales que bañan la Tierra y los púlsares en nuestra galaxia”.
La astronomía de matriz de tiempo Pulsar es un juego largo, pero estamos cerca de la señal confirmada. Los conjuntos de sincronización de púlsares separados en todo el mundo ahora han combinado sus conjuntos de datos y están trabajando para corroborar sus hallazgos bajo la colaboración de IPTA. Esta confirmación debería llegar dentro de un año, quizás dos seguidos.
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Entonces, puede comenzar una nueva y audaz era de astronomía de ondas gravitacionales de nanohercios. Los investigadores podrán desmenuzar la señal, estudiar sus características y descubrir las fuentes de las perturbaciones gravitacionales masivas que se propagan por el espacio. A partir de ahí, es posible que incluso comencemos a investigar, con más detalle que nunca, las propiedades de los agujeros negros supermasivos.
“Estos trabajos de matriz de sincronización de púlsares son los primeros indicios de ondas gravitacionales de frecuencia de nanohercios”, dice Reardon a Heaven32.
“Imaginar que el Universo es realmente un océano retumbante de espacio que se estira y se contrae es increíble. Los agujeros negros supermasivos son gigantes cósmicos en el corazón de las galaxias que se alimentan de gas e interrumpen la formación de estrellas. Estoy emocionado por un futuro en el que nuestras observaciones de púlsares revelan un intrincado mapa de ondas gravitacionales que surgen de pares de agujeros negros supermasivos. Deberíamos ver el zumbido de fondo del Universo con ‘puntos calientes’ señalados con precisión de ondas gravitacionales de pares individuales de agujeros negros supermasivos que se encuentran en galaxias que podemos identificar”.
Los trabajos de la PPTA se publicarán en Las cartas del diario astrofísico y Publicaciones de la Sociedad Astronómica de Australia. Los cinco artículos de NANOGrav aparecerán en Las cartas del diario astrofísico. El trabajo de Chinese Pulsar Timing Array aparece en Investigación en Astronomía y Astrofísica.
Agregaremos enlaces a más documentos a medida que estén disponibles.