Un 'zumbido' de fondo impregna el universo. Los científicos corren para encontrar su fuente

Aug 04, 2023

Los astrónomos ahora están tratando de identificar los orígenes de una nueva y emocionante forma de ondas gravitacionales que se anunció a principios de este año.

En junio, comenzó una nueva era en la astronomía con el aparente descubrimiento de ondas gravitacionales de baja frecuencia, el zumbido ambiental de las ondas del espacio-tiempo que impregnan el universo. Ese anuncio provino de una gran colaboración de investigadores de todo el mundo. Grupos en EE. UU., Europa, India, Australia y China están trabajando cada uno en sus propios experimentos similares y están combinando sus datos para mejorar el resultado. Con la evidencia de estas ondas gravitacionales nunca antes vistas ahora firmemente en sus manos, todos esos equipos dispares ahora están recopilando febrilmente más datos para un objetivo más amplio: comprender exactamente de dónde proviene realmente este zumbido de fondo. Muchos expertos sospechan que el zumbido surge principalmente de pares de agujeros negros supermasivos que giran juntos en espiral en el proceso gradual de fusión, pero podría provenir de fuentes aún más extrañas que podrían representar nuevas y emocionantes ramas de la física. "Estamos justo en el comienzo de este campo", dice Chiara Mingarelli de la Universidad de Yale, parte de la colaboración liderada por Estados Unidos, NANOGrav.

El anuncio se produjo el 28 de junio por parte de NANOGrav y los otros llamados conjuntos de temporización de púlsares (PTA), que utilizan radiotelescopios para rastrear el tiempo preciso de llegada de los destellos regulares de los púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente y que quedan después de las supernovas. Utilizando docenas de púlsares y monitoreando los tiempos de llegada de los pulsos con una precisión de nanosegundos en escalas de tiempo de décadas, pueden discernir ondas gravitacionales de fondo que pasan a través de nuestro sistema solar. Estas ondas reducen o expanden ligeramente el espacio intermedio entre nuestro planeta y los púlsares objetivo, creando compensaciones reveladoras en los tiempos de llegada de los pulsos. Este sorprendente resultado sigue a una época anterior de descubrimientos que comenzó en 2015, cuando el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) detectó por primera vez ondas gravitacionales producidas por la colisión de agujeros negros de masa estelar y estrellas de neutrones. LIGO, su homólogo europeo Virgo e instalaciones similares continúan hoy la búsqueda de estas ondas gravitacionales de mayor frecuencia.

La evidencia de un zumbido de fondo de ondas gravitacionales de baja frecuencia proviene de un total de 115 púlsares que fueron observados durante muchos años por varios equipos. Ahora se están realizando esfuerzos para combinar todos esos datos de sincronización del púlsar en un único conjunto de datos como parte del International Pulsar Timing Array (IPTA), lo que mejorará la sensibilidad general del conjunto de datos. "Estamos trabajando juntos en esto", dice Mingarelli. "Tenemos un representante de cada PTA [trabajando] para comenzar a combinar los datos". Ese esfuerzo colectivo ya lleva dos años en marcha, y se espera que aparezcan resultados más definitivos para finales de 2023 o en algún momento de 2024. "Ese será el conjunto de datos de matriz de temporización de púlsares más sensible que jamás se haya reunido". dice Nihan Pol de la Universidad de Vanderbilt.

La participación ambivalente de China al unirse a los esfuerzos del IPTA está complicando un poco las cosas. "No forman parte del acuerdo para esta divulgación de datos", dice Scott Ransom del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) en Virginia. “En los próximos meses, es posible que digan que quieren portarse bien con el resto de la comunidad, o que continúen yendo solos. Simplemente no lo sabemos”. El equipo chino Pulsar Timing Array se encuentra en una posición envidiable porque tiene acceso ilimitado al enorme radiotelescopio esférico de apertura de quinientos metros (FAST) en la región suroeste del país. FAST es mucho más sensible que cualquier radiotelescopio que exista actualmente y dos veces más poderoso que el Telescopio de Arecibo en Puerto Rico, que colapsó en 2020. “[FAST] es mucho mejor que casi todos los demás [radio]telescopios del mundo”, Ransom dice. "Es increíble para los púlsares, punto". Por ejemplo, aunque la PTA de China ha pasado sólo tres años cronometrando púlsares con FAST, aún pudo encontrar indicios similares de ondas gravitacionales de baja frecuencia que NANOGrav tardó 15 años en descubrir. Los miembros del equipo de la PTA de China no respondieron a las solicitudes de comentarios de Scientific American.

Sin embargo, es poco probable que FAST domine el campo para siempre. Actualmente, el siguiente mejor radiotelescopio para sincronizar púlsares es MeerKAT, una colección de 64 antenas parabólicas en Sudáfrica, a la que se agregarán sus propios datos a los esfuerzos actuales del IPTA. Un proyecto de 2.000 antenas parabólicas planificado para Nevada llamado DSA-2000 (Deep Synoptic Array) podría ser igualmente prometedor. Se dedicará una cuarta parte de su tiempo a las observaciones de la sincronización del púlsar de NANOGrav. "Eso sería una gran ayuda para nuestra ciencia", dice Stephen Taylor de la Universidad de Vanderbilt, presidente de NANOGrav. Y el próximo Square Kilometer Array (SKA) en Australia y Sudáfrica, que contará con unas 200 antenas para 2028, al que le seguirán miles más, debería, como mínimo, igualar las capacidades de FAST. "SKA será tan sensible como FAST o incluso más", dice Ransom.

Independientemente de las preocupaciones geopolíticas, los astrónomos de todo el mundo están unidos en su afán por encontrar la fuente de este zumbido de ondas gravitacionales. Al recopilar y comparar los tiempos de cada vez más púlsares, esperan comenzar a construir un mapa más detallado de este ruido de fondo en el cielo. Si la causa son pares de agujeros negros supermasivos en espiral de muerte, eventualmente deberían aparecer como “puntos calientes” en este mapa. "Será una resolución lenta de las fuentes individuales" a lo largo de años, dice Taylor. “No será necesariamente un único momento eureka. Es un proceso lento”.

Sin embargo, si se pueden identificar tales puntos calientes, entonces los astrónomos podrían comenzar a investigar los detalles de los pares de agujeros negros supermasivos. "Podríamos aprender qué tan alejadas están las binarias", dice Caitlin Witt de la Universidad Northwestern, así como las masas de los agujeros negros que las componen. Otros telescopios podrían entonces escudriñar y estudiar el entorno cósmico de los agujeros negros, lo que podría revelar más sobre el papel que desempeñan estos gigantes gravitacionales en el crecimiento y la evolución galácticos. "Un binario de agujero negro supermasivo captado por una PTA será seguido por todo tipo de [observaciones] electromagnéticas y de neutrinos e incluso fotografías de esas cosas", dice Achamveedu Gopakumar del Instituto Tata de Investigación Fundamental en Mumbai, quien es presidente del Matriz de sincronización del Pulsar indio. "Será increíble y eso es lo que estamos esperando".

Pol ya ha buscado esos puntos críticos en las observaciones de la PTA disponibles buscando en los datos signos de anisotropía, es decir, signos de variación y estructura en lugar de homogeneidad informe. Aunque no son estadísticamente concluyentes, los resultados muestran indicios provisionales de algunos puntos calientes, como uno hacia el Cúmulo de Virgo, un gran grupo de galaxias a unos 50 millones de años luz de la Tierra. "Vemos algunas características interesantes", dice. "Pero realmente necesitamos más datos". Hasta ahora, los posibles puntos críticos parecen correlacionarse con regiones del cielo donde se han utilizado menos púlsares en los conjuntos de datos, lo que significa que la anisotropía puede ser simplemente un artefacto similar a un espejismo de la recopilación de datos. "Las incertidumbres en esas mediciones podrían ser tan grandes que [los puntos calientes potenciales resulten ser] consistentes con el resto del cielo", dice Pol.

Si en los próximos años no surge ninguna anisotropía, eso podría indicar que cosas más extrañas son la fuente de ondas gravitacionales de baja frecuencia. Una posibilidad es que sean restos de “transiciones de fase” en el universo primitivo que fueron causadas por una rápida expansión cósmica poco después del Big Bang. "Una transición de fase es como la forma en que el agua hirviendo pasa de líquido a gas", dice Andrea Mitridate, del Sincrotrón de Electrones Alemán (DESY). “En la olla de agua hirviendo, se forman estas burbujas de gas que se expanden y chocan. Algo similar podría ocurrir en el plasma del universo primordial”. Tales transiciones de fase podrían dar lugar a cuerdas cósmicas, supuestos tendones de energía unidimensionales que pueden deformarse, romperse y romperse a medida que ondulan a través del universo, produciendo ondas gravitacionales. Las cadenas cósmicas y otros fenómenos especulativos aún no pueden descartarse a menos que las PTA comiencen a ver fuentes individuales que apunten a binarios de agujeros negros supermasivos. "Si en los próximos 10 años no empezamos a ver fuentes individuales, eso generará muchas dudas", dice Mingarelli.

Otras búsquedas de ondas gravitacionales complementarán las matrices de temporización de púlsares. Además de los esfuerzos en curso de LIGO y similares, este año se espera que la Agencia Espacial Europea (ESA) avance con el desarrollo de su Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA). Este grupo de tres naves espaciales estará a 2,5 millones de kilómetros de distancia y se dispararán láseres entre sí a mediados de la década de 2030 para buscar ondas gravitacionales que posiblemente provengan de pares de enanas blancas, los núcleos remanentes que quedan cuando mueren estrellas como nuestro sol. LISA puede incluso ver las señales producidas cuando los binarios de agujeros negros supermasivos finalmente se fusionan. "Necesitamos confirmar que los binarios de agujeros negros supermasivos realmente pueden fusionarse dentro de la edad del universo", dice Witt.

Para los astrónomos de ondas gravitacionales, existe un tremendo placer al ver que todos estos hilos se unen. Durante mucho tiempo se han preguntado si estas ondas en el espacio-tiempo, predichas por primera vez por Albert Einstein hace un siglo, serían detectables. Con esas dudas persistentes casi descartadas, las fronteras de un ámbito completamente nuevo de la astronomía están apareciendo a la vista. "Es un momento privilegiado para estar en este campo", dice Taylor. "Es una fiebre del oro".

Jonathan O'Callaghan es un periodista independiente galardonado que cubre astronomía, astrofísica, vuelos espaciales comerciales y exploración espacial. Síguelo en Twitter @Astro_Jonny Crédito: Nick Higgins

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