Científicos de la Universidad de Colorado en Boulder podrían haber resuelto un misterio acuciante sobre el fondo de ondas gravitacionales del universo.
Así se llaman las ondas en el espacio y el tiempo que se mueven constantemente por el cosmos y nos sacuden como si fueran gelatina, según la astrofísica de la CU Boulder, Julie Comerford.
El estudio, publicado en The Astrophysical Journal, revela nuevos conocimientos sobre la evolución del universo; concretamente, cómo galaxias más pequeñas pudieron haberse fusionado durante miles de millones de años para formar galaxias más grandes y complejas como la Vía Láctea.
Comerford explicó que, en cualquier momento del universo, innumerables galaxias están en proceso de fusión.
Cada una de esas galaxias tiene en su centro un agujero negro supermasivo, con su nombre tan acertado. A medida que las galaxias se fusionan, estos agujeros negros giran uno alrededor del otro, describiendo círculos hasta que finalmente chocan. Las colisiones resultantes crean ondas en el espacio y el tiempo tan sutiles que los humanos nunca las percibimos.
«Imaginen a muchísima gente en una piscina», afirmó Comerford, autor principal del nuevo estudio y profesor del Departamento de Ciencias Astrofísicas y Planetarias de la Universidad de Colorado en Boulder. «Todos crean sus propias ondas, que se superponen. Así es como se ve el fondo de ondas gravitacionales».
En 2023, varias colaboraciones internacionales, incluido el experimento del Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav), informaron haber detectado el fondo de ondas gravitacionales por primera vez.
Solo había un problema: según las mediciones de los grupos, esas ondas eran mucho mayores de lo que los científicos habían estimado. Se desconocía el motivo.
En el nuevo estudio, Comerford y el coautor Joseph Simon, exinvestigador postdoctoral de la Universidad de Colorado en Boulder, podrían haber encontrado la explicación.
Utilizando observaciones de galaxias reales y simulaciones por computadora, el equipo descubrió algo que los investigadores no habían considerado: cuando un agujero negro supermasivo más pequeño se fusiona con uno más grande, este último parece ganar mucha masa.
Esa masa adicional marca la diferencia. Al igual que los nadadores que se lanzan como balas de cañón en una piscina, los agujeros negros supermasivos más grandes producen ondas gravitacionales más grandes.
«Teníamos una predicción de cómo debería ser el fondo de ondas gravitacionales, y lo que NANOGrav encontró fue mayor de lo esperado», dijo Comerford. «Fue una sorpresa y un nuevo y divertido rompecabezas para resolver».
Crecimiento acelerado
Los agujeros negros supermasivos, al igual que las galaxias, vienen en una amplia gama de tamaños. Algunos de estos objetos celestes son realmente enormes, con una masa equivalente a miles de millones de soles terrestres. Otros son aún grandes, pero ligeramente menos, con una masa millones de veces mayor que la del Sol.
Durante años, muchos científicos que estudiaban el fondo de ondas gravitacionales no creían que esos agujeros negros más pequeños fueran importantes, explicó Comerford. Se pensaba que eran demasiado pequeños para contribuir significativamente al fondo de ondas gravitacionales.
Comerford y Simon no estaban tan seguros
En parte, esto se debe a que las fusiones de galaxias pueden ser un proceso caótico. Cuando dos galaxias se unen, el gas de esas galaxias comienza a canalizarse hacia los agujeros negros supermasivos en sus centros. Este gas forma una nube con forma de rosquilla fuera de los agujeros negros que giran en espiral uno alrededor del otro. Parte de ese gas regresa a los agujeros negros, agrandándolos en el proceso.
Pero simulaciones previas sugirieron algo sorprendente: los agujeros negros de un par en fusión podrían no crecer al mismo ritmo.
«El agujero negro más masivo se encuentra más cerca del centro de la rosquilla, donde hay menos gas», dijo Comerford. «El agujero negro más pequeño está más alejado, por lo que está más cerca de donde está el gas».
El comienzo
Esa diferencia en las tasas de crecimiento, o lo que los científicos llaman «acreción preferencial», podría ser muy importante.
En el estudio actual, Comerford diseñó un conjunto detallado de ecuaciones que capturan la física de la fusión de galaxias. Posteriormente, el grupo ajustó esas ecuaciones para que los agujeros negros más pequeños crecieran un 10 % más que los más grandes.
Ese único ajuste fue suficiente para que las estimaciones del fondo de ondas gravitacionales coincidieran con las mediciones del experimento NANOGrav.
«Comienzan siendo pequeños, pero como los pequeños son los que más crecen, no deben descartarse», dijo Comerford.
Señaló que el estudio no resuelve completamente el misterio: su equipo ha puesto en marcha un nuevo proyecto para observar galaxias reales en proceso de fusión y comprobar si su física coincide con lo que encontraron las simulaciones.
Este proyecto, afirmó, forma parte de un esfuerzo mayor para comprender algunas de las preguntas más fundamentales sobre el universo. Esto incluye cómo las galaxias «primordiales» en los albores del universo, que eran diminutas y estaban compuestas principalmente de gas, pudieron haber formado los gigantescos agujeros negros que existen hoy.
«He dedicado mi carrera al estudio de los agujeros negros supermasivos, y ni siquiera sabemos cómo se forman», afirmó Comerford.
Con información de The Astrophysical Journal
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