observador, por primera vez, el fondo cósmico de ondas gravitacionales

El tan ansiado hallazgo, que se publica este jueves en ‘Cartas del Diario Astrofísico‘, fue llevado a cabo por investigadores del Observatorio de Nanohercios de Ondas Gravitacionales de América del Norte (NANOGrav), en el que participaron expertos de 70 instituciones diferentes. Para lograrlo, los científicos recurrieron al ‘truco’ de utilizar púlsares como si ocurrieran metrónomos celestiales. Los púlsares son un typo de cadáver estelar que gira muy rápidamente sobre su eje (cientos o incluso millas de veces por segundo), emitiendo en cada giro un ‘pulso’ de radio (de ahí su número), un ‘tic tac’ más preciso que el de un reloj atómico.

Al comparar las pilas de los tic tac de 67 pulsos distribuidos por la galaxia, los científicos descubrieron que, en los 15 años de datos disponibles, su ritmo más variado. El equipo del NANOGrav ha demostrado que esas variaciones se debían al paso de ondas gravitacionales de baja frecuencia, que distorsionan el tejido sobre el que se asienta la realidad física, el tiempo espacial. De hecho, es el estiramiento y la compresión del espacio entre la Tierra y los propios púlsares lo que hace que su tic tac llegue a la Tierra mil millones de segundos antes o después de lo esperado.

Estos resultados constituyen la primera evidencia del trasfondo de ondas gravitacionales, una especie de ‘sopa’ de distorsiones espacio-temporales que invadió todo el universo y que fue predicha durante décadas por los científicos.

El más potente detectado hasta ahora

Las ondas gravitacionales detectadas de esta forma, con mucho, las más poderosas medidas hasta ahora, y transportan aproximadamente un millón más de energía que los estallidos de ondas gravitacionales de las fusiones de agujas negras y estrellas de neutrones detectadas por experimentos como LIGO y Virgin.

La existencia de ondas gravitacionales fue predicha por primera vez por Albert Einstein en 1916, pero no se observóon por primera vez hasta 2015, cuando el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) detectó ondas en el espacio-tiempo que pasaban a través de la Tierra. Aunque la fuente de esas ondas gravitacionales fue una colisión de agujeros negros lejanos, la distorsión espacial resultante detectada por LIGO fue más pequeña que el núcleo de un átomo.

En comparación, el aparente cambio de tiempo en el tic tac de los púlsares medido por el equipo de NANOGrav es de unos pocos cientos de billonésimas de segmento, pero representa una curvatura del espacio-tiempo entre la Tierra y los púlsares equivalente a la longitud de un campamento de fútbol. Estas distorsiones, explican los científicos, fueron provocadas por ondas gravitatorias tan inmensas que la distancia entre crestas posteriores es de 2 a 10 años luz, o alrededor de 9 a 90 billones de kilómetros. Según los investigadores, es muy posible que la mayoría de esas ondas gravitacionales gigantes sean producidas por parejas de agujeros negros supermasivos que orbitan en espiral, moviéndose en espiral hacia colisiones cataclísmicas a lo largo de todo el Universo.

«Es como un coro, con todos estos pares de agujeros negros supermasivos resonando en diferentes frecuencias -afirma Chiara Mingarelli, investigadora del NANOGrav-. Esta es la primera evidencia que tenemos del fondo de ondas gravitacionales. «.

Un tesoro de nuevos conocimientos

La primera detección del fondo de ondas gravitacionales abre las puertas a un auténtico tesoro de nuevos conocimientos y promesas de respuestas a preguntas de larga data, desde el destino de los pares de agujeros negros supermasivos hasta la frecuencia de las fusiones entre galaxias. Por hora, sin embargo, NANOGrav solo puede mediar el fondo general de ondas gravitacionales, pero no puede distinguir una por una las fuentes que lo componen. Y aún así los científicos se llevaron más de una sorpresa.

«El fondo de ondas gravitacionales -dice Mingarelli- es aproximadamente el doble de fuerte de lo esperado. Está realmente en el extremo superior de lo que nuestros modelos pueden crear agujeros negros supermasivos». Este ‘volumen ensordecedor’ podría ser el resultado de las limitaciones del experimento propio, o prueba de la existencia de puntas negras supermasivas más pesadas y abundantes de donde se crea Mecanismos predichos para la teoría de las cuerdas o inclusión de una explicación alternativa del origen del universo: «Lo que viene ahora -dice la científica- es todo. Este es solo el comenzo».

Un reto de años

Conseguir llegar a este hallazgo fue un defio de años para el equipo de NANOGrav. Las ondas gravitacionales que se observaron, de hecho, son absolutamente diferentes a todo lo medido previamente. Por ejemplo, a diferencia de las ondas de alta frecuencia detectadas por instrumentos terrestres como LIGO y Virgo, el fondo de ondas gravitacionales se compone de ondas de ultrabaja frecuencia. Lo cual significa que una sola ‘subida y bajada’ de una de las olas de la onda podría tardar años o incluso décadas en pasar. Y dado que las gravitacionales ondas viajan a la velocidad de la luz, eso significa que la distancia entre dos crestas podría tener una longitud de decenas de años luz.

Resulta más que obvio que ningún experimento en la Tierra es capaz de detectar colosales ondas de bronceado, por lo que el equipo de NANOGrav tuvo que mirar hacia las estrellas. Lo que hicieron fue observado cerca de los púlsares, los restos ultradensos de estrellas masivas que explotaron como supernovas. Los púlsares actúan como auténticos faros estelares, disparando haces de ondas de radio desde sus polos magnéticos. A medida que los pulses giran rápidamente (a veces cientos, o miles de veces por segundo), esos rayos barren el cielo y aparecen, desde nuestro punto de vista en la Tierra, como pulsos rítmicos de ondas de radio.

Esos pulsos llegan a la Tierra perfectamente sincronizados. La precisión es tal que cuando Jocelyn Bell mediodía la primera onda de pulso de radio en 1967, los astrónomos llegaron a pensar que podrían ser señales de una civilización alienígena.

Pero cuando una onda gravitacional pasa entre nosotros y un pulso, alterará la sincronización de las ondas de radio. Esto es, ‘desacompasa’ el siempre regular tic tac del pulsar. Sin embargo, se trata solo de una ilusión. En realidad, el púlsar debería ser tan preciso como lo es el tiempo, pero dado que las ondas gravitacionales se estiran y comprimen el espacio a medida que se propagan por el cosmos, cambia la distancia que deben recorrer las ondas de radio hasta llegar a nosotros. Y a nuestros ojos se produce un desequilibrio respecto a lo esperado.

In busca de esos desajustos que delataran el paso de ondas gravitacionales de baja frecuencia, pendante 15 años los científicos de NANOGrav cronómetroaron los pulsos de ondas de radio de decenas de pulsos de milisegundos en nuestra galaxia utilizando el ya desaparecido Observatorio de Arecibo en Puerto Rico , el Telescopio Green Bank en West Virginia y el Very Large Array en Nuevo México. Los nuevos hallazgos son el resultado de un análisis detallado de una matriz de 67 de esos púlsares.

“In reality -dice Maura McLaughlin, de la Universidad de West Virginia y codirectora del NANOGrav Physics Frontiers Center- los pulsares son fuentes de radio muy idiotas, por lo que necesitamos millas de horas al año en los telescopios más grandes del mundo para llevar a cabo una cabo este experimento. Estos resultados solo han sido posibles gracias al compromiso continuo de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) con estos observatorios de radio excepcionalmente sensibles”.

Por busca de las fuentes

Ya en 2020, con solo 12 años de datos, los científicos de NANOGrav comenzaron a ver índices de una señal, un ‘zumbido’ adicional generalizado, qu’afectaba al tiempo de todos los púlsares de la matriz. Y ahora, tres años de observaciones más tarde, han acumulado ya suficientes pruebas concretas para anunciar el descubrimiento del fondo de ondas gravitacionales.

«Ahora que tenemos evidencia de este fondo -afirma por su parte Sarah Vigeland de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee-, el siguiente paso es usar nuestras observaciones para estudiar una a una las fuentes que Producen ise zumbido».

Según se explica en el artículo, las fuentes más probables del fondo de ondas gravitacionales son pares de agujeros negros supermasivos atrapados en una espiral mortífera qu’lleva a la colisión entre ambos. Esos agujeros negros son realmente colosales y pueden alcanzar masas equivalentes a miles de millones de soles. Y resulta que casi todas las galaxias, incluida nuestra propia Vía Láctea, tienen por lo menos a uno de estos gigantes en sus núcleos. Cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros supermasivos pueden encontrarse y comenzar a orbitar entre sí. Y cuando finalmente chocan, produce las gravitacionales de baja frecuencia captadas ahora por los científicos.

Sin embargo, ninguna onda gravitacional detectada por NANOGrav necesariamente dará como resultado un daño negro supermasivo. Por supuesto, existen otras teorías que también predicen ondas en el rango de frecuencias ultrabajas. La teoría de cuerdas, por ejemplo, predice que las cuerdas cósmicas podrían haberse formado en el universo primitivo. Sí esas cuerdas podrían disipar energía emitiendo ondas gravitacionales.

Otra idea a considerar sugiere que el Universo no comenzó de la nada con un Big Bang, sino que procedió de un universo anterior, que colapsó sobre sí mismo antes de expandirse hacia afuera en un Gran Rebote (Big Bounce). Si eso fuera cierto, las gravitacionales de aquel evento estarían aún propagándose a través del espacio-tiempo. Y podría formar parte del fondo de las ondas gravitacionales detectadas.

Por lo tanto, también existe la posibilidad de que los púlsares, después de todo, no sean los detectores de ondas gravitacionales perfectos que los científicos crean que son y que, en vez de eso, tengan alguna desconocida que esté sesgando los resultados de NANOGrav . Por desgracia, dice Mingarelli, “no podemos acercarnos a los púlsares e incenderlos y apagarlos nuevamente para ver si hay un error”.

La única solución, pues, est la seguir cronométricamente los púlsares colgantes más años, y comprobar después si se mantienen los resultados. Mientras tanto, el equipo de NANOGrav trabajará para ‘despiezar’ el recién descubrimiento de fondo de ondas gravitacionales para averiguar cuáles son todos los posibles contribuyentes. Y están más que convencidos de que habrá sorpresas.