Astrónomos y astrofísicos de diversas instituciones de detección de ondas gravitacionales han anunciado hoy el descubrimiento de una especie de “murmullo” constante de ondas de baja frecuencia en el espacio-tiempo que proviene de los púlsares, unos de los objetos más particulares de nuestro universo. Este descubrimiento se corresponde con lo que indicaban investigaciones anteriores que señalaban la existencia de una señal de baja frecuencia que impregna el cosmos y que está conectada con las fuentes de mayor fuerza gravitatoria del universo.
Los nuevos hallazgos fueron realizados por diversas instituciones como el European Pulsar Timing Array (EPTA), el International Pulsar Timing Array (IPTA), el Parkes Pulsar Timing Array de Australia (PPTA) o el Observatorio de Nanohercios de Ondas Gravitacionales de América del Norte (NANOGrav).
Los astrónomos creen que el origen del fondo de ondas gravitacionales son los agujeros negros supermasivos binarios, que son pares de agujeros negros supermasivos que orbitan entre sí durante el transcurso de cientos de millones de años hasta que finalmente se fusionan en uno de los eventos más extremos del universo. Aunque hemos sido capaz de predecirlos, nunca hemos podido observar una pareja de agujeros negros supermasivos orbitando entre sí.
“La señal esperada es ‘fondo’ de estas ondas gravitacionales, que es la suma de las ondas de cada agujero negro supermasivo binario del universo”, afirmó Daniel Reardon, astrónomo de la Universidad Tecnológica de Swinburne y miembro de OzGrav, en un correo electrónico a Gizmodo. “Observar este fondo de ondas gravitacionales tiene consecuencias importantes para nuestra comprensión de la historia de formación de nuestro universo, porque los agujeros negros supermasivos son el motor que hay en el corazón de las galaxias”.
Las ondas gravitacionales fueron predichas por primera vez por Einstein en su teoría de la relatividad general. Tal y como lo describió Einstein, las ondas son cambios en un campo gravitatorio que viajan a la velocidad de la luz. De hecho, las ondas gravitacionales surgen de las interacciones sísmicas de los objetos más masivos y compactos del universo. Cuando los agujeros negros orbitan o chocan entre sí o con otros objetos con mucha densidad como las estrellas de neutrones, la interacción produce ondas gravitacionales.
Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo extremadamente densas que tienen campos gravitatorios tan fuertes que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Las estrellas de neutrones en cambio son remanentes estelares muy antiguos y tienen tal densidad que los electrones que giran alrededor de sus átomos han colapsado y han convertido a toda la estrella en un gran neutrón. En 2021 se confirmó por primera vez una fusión de estrellas de neutrones y un agujero negro.
Las ondas gravitacionales fueron detectadas por primera vez en 2015, un siglo después de que Einstein predijera su existencia, con el Observatorio de ondas gravitacionales LIGO. LIGO es un complejo sistema de espejos y túneles subterráneos capaz de realizar mediciones muy precisas. Cuando las ondas gravitacionales viajan a través de la Tierra, cambian muy levemente las distancias entre los espejos de LIGO, algo que se puede medir mediante láseres. Este cambio indica que el propio espacio-tiempo se ha aplastado o estirado.
Pero el fondo de ondas gravitacionales es una señal mucho más sutil que las ondas gravitacionales que suele detectar LIGO. Las ondas gravitacionales de LIGO provienen de las fusiones de agujeros negros de masa estelar (es exactamente lo que parece: agujeros negros del tamaño de una estrella).
Aunque esta es una señal mucho más silenciosa que la emitida por las fusiones de agujeros negros de masa estelar, se teoriza que el fondo de ondas gravitacionales emana de los objetos más masivos de la naturaleza: agujeros negros supermasivos (eso es miles de millones de veces la masa de nuestro Sol), que orbitan entre sí hasta su unión definitiva.
“No se han confirmado la existencia de ejemplos de estos sistemas binarios en estudios electromagnéticos, aunque existen muchos candidatos posibles”, afirmó Luke Kelley, astrofísico de la Universidad de California en Berkeley y miembro de NANOGrav, en una conferencia de prensa celebrada ayer.
“Las propiedades del fondo de ondas gravitacionales que estamos midiendo son totalmente consistentes con las expectativas teóricas para los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos”, agregó Kelley. “Sin embargo, al mismo tiempo también son consistentes con la nueva física”.
Puedes pensar en las ondas gravitacionales de LIGO como si fuesen grandes olas en el océano cósmico. Las ondulaciones dinámicas, sutiles y constantes de ese océano son el equivalente al fondo de ondas gravitacionales.
La mejor manera de ver ese océano es por medio de púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente y emiten pulsos de luz hacia la Tierra con una fiabilidad temporal notable. Los púlsares actúan como si fuesen un faro cósmico que sirve para detectar el fondo de ondas gravitacionales.
Así como un grupo de radiotelescopios son capaces de formar una misma matriz (como si se tratase de una especie de telescopio gigante), los datos de ondas de radio de un grupo de púlsares se pueden unir para formar una misma matriz del tamaño de una galaxia. Las ondas gravitacionales detectadas por los conjuntos de sincronización de púlsares pueden tener una longitud de 10 años luz (90 billones de kilómetros) si lo vemos de punta a punta.
El conjunto de datos que recabaron durante 12,5 años desde NANOGrav fue un indicio convincente de que el fondo de ondas gravitacionales estaba ahí, pero los nuevos datos, recogidos durante un total de 15 años, incluyen pruebas de correlaciones espaciales que acompañan a una señal de ondas gravitacionales. Eso aumenta la probabilidad de que la señal que están viendo los astrónomos sea real.
“En este momento, estamos viendo una señal que es básicamente la misma en todo el cielo. A medida que aumente nuestra sensibilidad, comenzaremos a ver cómo se distribuye la señal por el cielo”, dijo Joseph Simon, astrónomo de la Universidad de Colorado Boulder y miembro de NANOGrav, en un correo electrónico a Gizmodo.
La distribución de la señal revelaría puntos del fondo especialmente activos, o lo que es lo mismo, regiones donde las fuentes de fondo de ondas gravitacionales son particularmente ruidosas. Esto podría deberse a su masa o a su proximidad a los detectores humanos.
Simon añadió que, a medida que los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos se acercan, su señal sinusoidal de onda gravitacional se convierte en un “chirrido” al que los conjuntos de sincronización de púlsares no son sensibles.
Para ver los “chirridos” de agujeros negros supermasivos que estén a punto de fusionarse, Simon dijo que los astrónomos necesitarán la Antena espacial del interferómetro láser, o LISA. LISA es una misión que ha planificado la Agencia Espacial Europea que consistirá en tres naves espaciales que orbitarán entre sí formando un triángulo cuyos lados medirán 2,41 millones de kilómetros
LISA detecta ondas gravitacionales de la misma manera que LIGO, pero a una escala mucho mayor. Los brazos de LIGO tienen 4 kilómetros de longitud, una distancia microscópica en comparación con los que tendrá la misión espacial LISA.
Estos nuevos conjuntos de datos aumentan la probabilidad de la existencia de un fondo de ondas gravitacionales, pero también plantean nuevas preguntas.
“Inesperadamente, descubrimos que la cantidad de espacio-tiempo que se contrae y se estira debido a las ondas gravitacionales parece estar creciendo con el tiempo”, dijo a Gizmodo Andrew Zic, astrónomo del CSIRO y codirector del análisis del Parkes Pulsar Timing Array de Australia. “La causa subyacente de esto es un misterio para nosotros, pero si no es un problema del modelo que usamos, podría ser algo inesperado e interesante sobre las propias ondas gravitacionales”.
Encontrar el fondo de ondas gravitacionales daría pistas a los astrofísicos sobre la evolución de los agujeros negros supermasivos. Los astrónomos han observado que hay escasez de agujeros negros de masa intermedia en el universo, lo cual hace que sea más difícil para los científicos entender cómo alcanzan a convertirse en agujeros negros supermasivos.
“Nuestros experimentos son una de las pocas formas en que podemos encontrar evidencias directas de parejas binarias de estos agujeros negros supermasivos que eventualmente se fusionarán”, añadió Zic. “Al estudiar estas ondas gravitacionales, podremos comprender con más detalle la forma en que las galaxias se fusionaron a lo largo de la historia cósmica”.
Independientemente de que los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos sean los responsables o no del fondo de ondas gravitacionales, lo que parece seguro es que esta serie de datos —y los que están todavía por venir— cambiarán nuestra comprensión del universo.