Cuando los agujeros negros y otros objetos densos y enormemente masivos giran unos alrededor de otros, envían ondas en el espacio y el tiempo llamadas ondas gravitacionales. Estas ondas son una de las pocas formas que tenemos para estudiar los enigmáticos gigantes cósmicos que las crean.
Los astrónomos han observado los “chirridos” de alta frecuencia de los agujeros negros en colisión, pero el retumbar de ultra 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 la tenue ondulación de estas ondas.
Hoy, las colaboraciones de investigación de púlsares en todo el mundo, incluida la nuestra, Parkes Pulsar Timing Array, anunciaron su evidencia más sólida hasta el momento de la existencia de estas ondas.
¿Qué son las ondas gravitacionales?
En 1915, el físico nacido en Alemania, Albert Einstein, presentó una visión revolucionaria de la naturaleza de la gravedad: la teoría general de la relatividad.
La teoría describe el universo como un “tejido” de cuatro dimensiones llamado espacio-tiempo que puede estirarse, apretarse, doblarse y torcerse. Los objetos masivos distorsionan este tejido para dar lugar a la gravedad.
Una consecuencia curiosa de la 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 enorme cantidad de energía para crear la más pequeña de estas ondas. Por esta razón, Einstein estaba convencido de que las ondas gravitacionales nunca se observarían directamente.
Un siglo después, los investigadores de las colaboraciones LIGO y Virgo fueron testigos de la colisión de dos agujeros negros, lo que envió un estallido de ondas gravitacionales a 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 frecuencia ultrabaja.
Un lento retumbar de ondas gravitacionales
A diferencia del repentino estallido de ondas gravitacionales informado en 2016, estas ondas gravitacionales de frecuencia ultrabaja tardan años o incluso décadas en oscilar.
Se espera que sean producidos por pares de agujeros negros supermasivos que orbitan en 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.
O podemos usar púlsares, que ya están repartidos por la galaxia, y cuyos pulsos llegan a nuestros telescopios con la regularidad de relojes precisos.
El radiotelescopio Parkes de CSIRO, Murriyang, ha estado observando una serie de estos púlsares durante casi dos décadas. Nuestro equipo de Parkes Pulsar Timing Array es una de varias colaboraciones en todo el mundo que han anunciado hoy indicios 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) ven señales similares.
La señal que estamos buscando es un “océano” aleatorio de ondas gravitatorias producidas por todos los pares de agujeros negros supermasivos del universo.
Observar estas ondas no es solo otro triunfo de la teoría de Einstein, sino que tiene importantes consecuencias para nuestra comprensión de la historia de las galaxias en el universo. Los agujeros negros supermasivos son los 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 de la matriz. A medida que las ondas gravitacionales inundan la Tierra, afectan las tasas de rotación aparentes de los púlsares.
El estiramiento y compresión de nuestra galaxia por estas ondas finalmente cambia las distancias a los púlsares en solo decenas de metros. Eso no es mucho cuando los púlsares están típicamente a unos 1.000 años luz de distancia (eso es alrededor de 10.000.000.000.000.000.000 de metros).
Sorprendentemente, podemos observar estos cambios en el espacio-tiempo como retrasos de nanosegundos en los pulsos, que los radioastrónomos pueden rastrear con relativa facilidad porque los púlsares son relojes naturales muy estables.
¿Qué se ha anunciado?
Debido a que las ondas gravitacionales de frecuencia ultrabaja tardan años en oscilar, se espera que la señal surja lentamente.
Primero, los radioastrónomos observaron un ruido común en los púlsares, pero se desconocía su origen.
Ahora, la huella digital única de las ondas gravitacionales está comenzando a aparecer como un atributo de esta señal, observada por cada una de las colaboraciones de matriz de sincronización de púlsares en todo el mundo.
Esta huella digital describe una relación particular entre la similitud de los retrasos de los pulsos y el ángulo de separación entre los 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. Los púlsares muy juntos en el cielo muestran una señal más similar que los púlsares separados en ángulo recto, por ejemplo.
El avance ha sido posible gracias a la mejora de la tecnología en nuestros observatorios. Parkes Pulsar Timing Array tiene el conjunto de datos de alta calidad más largo, gracias a la avanzada tecnología de recepción y procesamiento de señales instalada en Murriyang. Esta tecnología ha permitido que el telescopio descubra muchos de los mejores púlsares utilizados por colaboraciones en todo el mundo para la búsqueda de ondas gravitacionales.
Los resultados anteriores de nuestra colaboración y otros mostraron que la señal esperada de las ondas gravitacionales faltaba en las observaciones de púlsares.
Ahora, parece que estamos viendo la señal con relativa claridad. Al segmentar nuestro extenso conjunto de datos en “fracciones de tiempo” más cortas, mostramos que la señal parece crecer con el tiempo. Se desconoce la causa subyacente de esta observación, pero puede ser que las ondas gravitacionales se comporten de manera inesperada.
La nueva evidencia de ondas gravitacionales de frecuencia ultra baja es emocionante para los astrónomos. Para confirmar estas firmas, las colaboraciones globales deberán combinar sus conjuntos de datos, lo que aumenta muchas veces su sensibilidad a las ondas gravitacionales.
Los esfuerzos para producir este conjunto de datos combinados ahora están en progreso bajo el proyecto International Pulsar Timing Array, cuyos miembros se reunieron en Port Douglas en Far North Queensland la semana pasada. Los futuros observatorios, como el Square Kilometer Array en construcción en Australia y Sudáfrica, convertirán estos estudios en una rica fuente de conocimiento sobre la historia de nuestro universo.
Con información de Phys.org
