NANOGrav escucha el murmullo del espacio-tiempo

NANOGrav escucha el murmullo del espacio-tiempo

Los científicos de NANOGrav han reportado la primera evidencia de que nuestra Tierra y el Universo que nos rodea están inundados por un fondo de ondulaciones del espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.

Las ondas gravitacionales oscilan muy lentamente durante años e incluso décadas y se cree que se originan principalmente a partir de pares de agujeros negros supermasivos que se mueven lentamente en espiral antes de fusionarse.

Los hallazgos, informados en una serie de artículos en The Astrophysical Journal Letters, provienen de 15 años de observaciones realizadas por el Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav), un centro de fronteras de la Física con más de 190 científicos de Estados Unidos y Canadá, financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF, por sus siglas en inglés).

Monitorizando estrellas muertas

NANOGrav ha empleado datos de tres radiotelescopios para monitorizar 68 estrellas muertas, llamadas púlsares:

  • El Observatorio de Arecibo en Puerto Rico.
  • El Telescopio Green Bank en Virginia Occidental.
  • El Very Large Array en Nuevo México.

Los púlsares actúan en el espacio como una red de boyas, que se mecen en un mar de ondas gravitacionales que avanza lentamente.

«El efecto de las ondas gravitacionales en los púlsares es extremadamente débil y difícil de detectar, pero con el tiempo construimos confianza en los hallazgos a medida que recopilamos más datos», dice Katerina Chatziioannou, miembro del equipo de NANOGrav y profesora asistente de física en Caltech.

«En el futuro, continuaremos haciendo más observaciones y compararemos nuestros resultados con los de socios internacionales, lo que nos permitirá aprender más de los datos».

«Tenemos una nueva forma de investigar lo que sucede cuando los monstruosos agujeros negros en los núcleos de las galaxias comienzan una espiral de muerte lenta, pero inexorable», dice Joseph Lazio, miembro del equipo de NANOGrav, científico principal del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), y asociado visitante en astronomía en Caltech, que administra JPL para la NASA.

«Creemos que este proceso es estándar para muchas galaxias, y hemos visto muchos ejemplos en varios pasos, pero finalmente estamos comenzando a vislumbrar uno de los pasos finales clave».

Entre gritos y murmullos

Las ondas gravitacionales fueron propuestas por primera vez por Albert Einstein en 1916, pero no se detectaron directamente hasta unos 100 años después, cuando el LIGO, financiado por la NSF, recogió las ondas de un par de agujeros negros en colisión distantes.

Colisión de dos agujeros negros hace 1.300 millones de años que produjo ondas gravitacionales detectadas por primera vez el 14 de septiembre de 2015 por investigadores del Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser (LIGO).
Colisión de dos agujeros negros hace 1.300 millones de años que produjo ondas gravitacionales detectadas por primera vez el 14 de septiembre de 2015 por investigadores del Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser (LIGO).

LIGO detecta ondas gravitacionales que tienen una frecuencia mucho más alta que las registradas por NANOGrav (el nombre proviene del hecho de que detecta ondas gravitacionales de menor frecuencia en el rango de los nanohercios, es decir, un ciclo cada pocos años).

Las ondas gravitacionales de mayor frecuencia provienen de pares más pequeños de agujeros negros que se mueven rápidamente entre sí en los últimos segundos antes de chocar, mientras que se cree que las ondas de menor frecuencia son generadas por enormes agujeros negros en el corazón de las galaxias.

Estos agujeros negros masivos, con masas hasta miles de millones de veces la masa de nuestro Sol, avanzan pesada y lentamente unos alrededor de otros durante millones de años antes de fusionarse.

Un murmullo colectivo

En los nuevos estudios, se piensa que NANOGrav captó un murmullo colectivo de ondas gravitacionales generadas por muchos pares de agujeros negros supermasivos fusionándose entre ellos en todo el Universo.

«La gente compara esta señal con un murmullo de fondo en lugar de los gritos que capta LIGO«, explica Chatziioannou, quien también es miembro del equipo de LIGO y becario William H. Hurt.

«Es como si estuvieras en un cóctel y no pudieras distinguir ninguna voz individual. Solo escuchamos el ruido de fondo«, dice Patrick Meyers, miembro del equipo de NANOGrav e investigador asociado postdoctoral en Caltech que ayudó a dirigir las pruebas estadísticas. de los resultados.

Boyas cósmicas

La red de púlsares de NANOGrav también se conoce como matriz de sincronización de púlsares. Los púlsares, que se formaron a partir de las explosiones de estrellas masivas, envían faros de luz que giran rápidamente a intervalos muy precisos.

«Son como faros que pasan a un ritmo regular, y con ellos se puede predecir el tiempo a un nivel de decenas de nanosegundos: Tienen el mismo nivel de precisión que los relojes atómicos en algunos casos», dice Meyers.

Las señales de los púlsares, medidas con una red de radiotelescopios globales, se ven afectadas por las ondas gravitacionales de los pares de agujeros negros que se propagan a través del espacio-tiempo.
Las señales de los púlsares, medidas con una red de radiotelescopios globales, se ven afectadas por las ondas gravitacionales de los pares de agujeros negros que se propagan a través del espacio-tiempo.

Cuando las ondas gravitacionales viajan a través del cosmos, estiran y comprimen muy levemente el tejido del espacio-tiempo. Este estiramiento y compresión puede hacer que la distancia entre la Tierra y un púlsar dado cambie minúsculamente, lo que resulta en retrasos o avances en la sincronización de los destellos de luz de los púlsares.

Para buscar el murmullo de fondo de las ondas gravitacionales, el equipo científico desarrolló programas de software para comparar el tiempo de pares de púlsares en su red.

Las ondas gravitacionales cambian este tiempo en diferentes grados, dependiendo de a qué distancia estén los púlsares. Un patrón calculado teóricamente por primera vez por Ron Hellings y George Downs en el JPL a principios de la década de 1980.

«Imagina muchas ondas en un océano a partir de pares de agujeros negros supermasivos dispersos por todas partes», dice Lazio. «Ahora, estamos sentados aquí en la Tierra, que actúa como una boya junto con los púlsares, y tratamos de medir cómo cambian las ondas y cómo hacen que las otras boyas se acerquen y se alejen de nosotros«.

Multitud de efectos confusos

«Para desentrañar el fondo de ondas gravitacionales, tuvimos que individualizar una multitud de efectos confusos:

  • El movimiento de los púlsares.
  • Las perturbaciones debidas a los electrones libres en nuestra galaxia.
  • Las inestabilidades de los relojes de referencia en los observatorios de radio.
  • La ubicación precisa del centro del sistema solar, que determinamos con la ayuda de las misiones Juno y Cassini de la NASA.

Dijo Michele Vallisneri, miembro del equipo de NANOgrav, científico investigador sénior del JPL y asociado visitante en astrofísica teórica, en Caltech».

NANOGrav incluirá en sus futuros estudios las aportaciones de:

  • El telescopio CHIME de Canadá, que se unió al proyecto en 2019.
  • El Deep Synoptic Array-2000 de Caltech, o DSA-2000, un conjunto de 2.000 antenas de radio que se planea construir en el desierto de Nevada y que comenzará a operar en 2027.

Hermoso e improbable

Los científicos esperan responder misterios sobre la naturaleza de la fusión de agujeros negros supermasivos, como si son comunes, qué los une y qué otros factores contribuyen a su fusión.

«La gente ha tratado de encontrar agujeros negros supermasivos fusionados con telescopios durante años», dice Chatziioannou. «Se están acercando y encontrando más candidatos, pero debido a que los agujeros negros están tan juntos, son difíciles de distinguir. Tener ondas gravitacionales como nueva herramienta ayudará a comprender mejor a estas enigmáticas bestias».

«Este ha sido un experimento hermoso e improbable: ensamblar un detector de ondas gravitacionales de tamaño galáctico animado por el pulso de estrellas muertas a lo largo de nuestra galaxia y reunir a un equipo multidisciplinario de radioastrónomos, expertos en estrellas de neutrones y agujeros negros, y científicos en ondas gravitacionales», dice Vallisneri.

Qué es NANOGrav

NANOGrav es una colaboración internacional dedicada a explorar el Universo de ondas gravitacionales de baja frecuencia a través de la sincronización de púlsares de radio. Se fundó en octubre de 2007 y ha crecido a más de 190 miembros en más de 70 instituciones. En 2015, fue designado Centro de fronteras de la Física de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).

NANOGrav, Centro de fronteras de la Física.
NANOGrav, Centro de fronteras de la Física.

Los astrofísicos de todo el mundo han estado ocupados persiguiendo esta señal de ondas gravitacionales. Varios artículos publicados hoy por colaboraciones que utilizan telescopios en Europa, India, China y Australia informan sobre indicios de la misma señal en sus datos.

Los grupos individuales están trabajando juntos a través del consorcio «International Pulsar Timing Array» para combinar sus datos y así caracterizar mejor la señal y buscar nuevos tipos de fuentes de ondas gravitacionales.

Fuente: Scientists Find Evidence for Slow-Rolling Sea of Gravitational Waves

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