El rugido de las ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros supermasivos se ha escuchado en el universo por primera vez

Después de 15 años de recopilar datos en un experimento del tamaño de una galaxia, los científicos han «escuchado» el coro perpetuo de ondas gravitacionales que recorren el universo por primera vez, y es más fuerte de lo esperado.

El descubrimiento innovador fue realizado por científicos del Observatorio de ondas gravitacionales de nanohercios de América del Norte (NANOGrav) que monitorean de cerca estrellas llamadas púlsares que actúan como metrónomos celestiales. Las ondas gravitacionales recién descubiertas, ondulaciones en la estructura del espacio-tiempo, son las más poderosas jamás medidas: transportan casi un millón de veces más energía que las ondas gravitacionales detectadas individualmente de las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones. A través de experimentos como LIGO y Virgo.

Los científicos de Nanograph informan en una serie de nuevos artículos que aparecen hoy en Nanograph Cartas de revistas astrofísicas.

dice la científica de NANOGrav Chiara Mingarelli, quien trabajó en los nuevos hallazgos mientras era científica investigadora asistente en el Centro de Astrofísica Computacional (CCA) en la ciudad de Nueva York. «Esta es la primera evidencia de un fondo de ondas gravitacionales. Hemos abierto una nueva ventana de observación en el universo».

La existencia y formación de ondas gravitatorias de fondo, teóricas durante mucho tiempo pero desconocidas, ofrece un tesoro de nuevos conocimientos sobre cuestiones de larga data, desde el destino de pares de agujeros negros supermasivos hasta la frecuencia de las fusiones de galaxias.

Por ahora, NANOGrav solo puede medir el fondo general de ondas gravitacionales en lugar de la radiación de «cantantes» individuales. Pero incluso esto trajo sorpresas.

«El fondo de ondas gravitacionales es aproximadamente el doble de lo que esperaba», dice Mingarelli, ahora profesor asistente en la Universidad de Yale. «Está realmente en el extremo superior de lo que nuestros modelos pueden crear a partir de agujeros negros supermasivos».

El tamaño ensordecedor puede resultar de limitaciones experimentales o de agujeros negros supermasivos más pesados ​​y abundantes. Pero también existe la posibilidad de que algo más esté generando fuertes ondas gravitacionales, dice Mingarelli, como los mecanismos predichos por la teoría de cuerdas o explicaciones alternativas para el nacimiento del universo. «Lo que sigue es todo», dice ella. «Este es sólo el comienzo.»

Una experiencia en toda la galaxia

Llegar a este punto ha sido un desafío para el equipo de NANOGrav durante años. Las ondas gravitacionales que captaron no se parecen a nada medido anteriormente. 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 ultra alta frecuencia. El ascenso y descenso de una ola puede llevar años o incluso décadas. Dado que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, una longitud de onda individual puede ser de decenas de años luz.

Ningún experimento en la Tierra pudo detectar ondas tan masivas, por lo que el equipo de NANOGrav miró hacia las estrellas. Observaron de cerca los púlsares, los restos ultradensos de estrellas masivas que se han convertido en supernovas. Los púlsares actúan como balizas estelares, disparando haces de ondas de radio desde sus polos magnéticos. Debido a que los púlsares giran tan rápido (a veces cientos 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.

Los pulsos golpean el suelo como un metrónomo de tiempo perfecto. El momento es tan preciso que cuando Jocelyn Bell midió las primeras ondas de radio en 1967, los astrónomos pensaron que podrían ser señales de una civilización extraterrestre.

Cuando una onda gravitatoria pasa entre nosotros y el púlsar, altera la sincronización de las ondas de radio. Esto se debe a que, como predijo Albert Einstein, las ondas gravitacionales estiran y comprimen el espacio a medida que se propagan por el universo, cambiando la distancia que deben recorrer las ondas de radio.

Durante 15 años, los científicos de NANOGrav de Estados Unidos y Canadá han cronometrado pulsos de ondas de radio de decenas de púlsares de milisegundos en nuestra galaxia utilizando el Observatorio de Arecibo en Puerto Rico, el Telescopio Green Bank en Virginia Occidental y el Very Large Array en Nuevo México. Los nuevos hallazgos son el resultado de un análisis detallado de un grupo de 67 púlsares.

«Los púlsares son en realidad fuentes de radio muy débiles, por lo que necesitamos miles de horas al año en los telescopios más grandes del mundo para hacer este experimento», dice Maura McLaughlin de la Universidad de West Virginia, codirectora del Physics Frontiers Nanograph Center. «Estos hallazgos son posibles gracias al compromiso continuo de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) con estos observatorios de radio altamente sensibles».

Detección de fondo

En 2020, con poco más de 12 años de datos, los científicos de NANOGrav comenzaron a ver indicios de una señal, un «zumbido» adicional común al comportamiento de sincronización de todos los púlsares de la matriz. Ahora, después de tres años de observaciones adicionales, han acumulado evidencia tangible de la existencia del fondo de ondas gravitacionales.

«Ahora que tenemos evidencia de ondas gravitacionales, el siguiente paso es usar nuestras observaciones para estudiar las fuentes que producen este zumbido», dice Sarah Vigeland de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee, presidenta del Grupo de Trabajo de Detección de NANOGrav.

Las fuentes más probables de fondo de ondas gravitacionales son pares de agujeros negros supermasivos capturados en una espiral de muerte. Estos agujeros negros son realmente masivos y contienen miles de millones de la masa del sol. Casi todas las galaxias, incluida nuestra propia Vía Láctea, tienen al menos una galaxia gigante en su núcleo. Cuando dos galaxias se fusionan, los agujeros negros supermasivos pueden encontrarse y comenzar a orbitar entre sí. Con el tiempo, sus órbitas se estrechan a medida que el gas y las estrellas pasan entre los agujeros negros y roban energía.

Eventualmente, los agujeros negros supermasivos se acercan tanto que el robo de energía se detiene. Algunos estudios teóricos han argumentado durante décadas que los agujeros negros chocan indefinidamente cuando están separados por un parsec (alrededor de tres años luz). Esta teoría de la proximidad pero no del cigarro se conoce como el problema del último parsec. En este escenario, solo las combinaciones raras de tres o más agujeros negros supermasivos conducen a fusiones.

Sin embargo, los pares de agujeros negros supermasivos pueden tener un truco bajo la manga. Pueden emitir energía como poderosas ondas gravitacionales mientras orbitan entre sí hasta que finalmente chocan en una conclusión catastrófica. «Una vez que dos agujeros negros se acercan lo suficiente como para ser vistos por los conjuntos de sincronización de púlsares, nada puede evitar que se fusionen en solo unos pocos millones de años», dice Luke Kelley de la Universidad de California, Berkeley, líder del grupo de astrofísica de NANOGrav.

La existencia del fondo de ondas gravitacionales encontrado por NANOGrav parece respaldar esta predicción, lo que podría poner fin al reciente problema del parsec.

Debido a que los pares de agujeros negros supermasivos se forman por fusiones de galaxias, su abundancia de ondas gravitacionales ayudará a los cosmólogos a estimar con qué frecuencia las galaxias chocan a lo largo de la historia del universo. Mingarelli, la investigadora postdoctoral Deborah C. Judd de CCA y la Universidad de Connecticut y sus colegas estudiaron la intensidad del fondo de ondas gravitacionales. Estiman que cientos de miles o quizás un millón o más de agujeros negros supermasivos binarios pueblan el universo.

fuentes alternativas

No todas las ondas gravitacionales detectadas por NANOGrav son necesariamente de pares de agujeros negros supermasivos. Otras propuestas teóricas también predicen ondas en el rango de muy baja frecuencia. La teoría de cuerdas predice, por ejemplo, que las fallas unidimensionales llamadas cuerdas cósmicas pueden haberse formado en el universo primitivo. Estas cuerdas pueden disipar energía emitiendo ondas gravitacionales. Otra sugerencia es que el universo no comenzó con el Big Bang sino con el Big Bounce, en el que el universo negativo colapsó sobre sí mismo antes de expandirse hacia el exterior. En tal historia de origen, las ondas gravitatorias del accidente seguirían ondulando a través del espacio-tiempo.

También existe la posibilidad de que los púlsares no sean los detectores de ondas gravitacionales perfectos que los científicos creen que son y que, en cambio, puedan tener alguna asimetría desconocida que distorsione los resultados de NANOGrav. “No podemos acercarnos a un púlsar y encenderlo y apagarlo nuevamente para ver si algo anda mal”, dice Mingarelli.

El equipo de NANOGrav espera explorar todos los posibles contribuyentes al fondo de ondas gravitacionales recién descubierto mientras continúan monitoreando los púlsares. El grupo planea desglosar el fondo en función de la frecuencia de las ondas y su origen en el cielo.

esfuerzo internacional

Afortunadamente, el equipo de NANOGrav no está solo en esta búsqueda. Varios artículos publicados hoy por colaboraciones que utilizan telescopios en Europa, India, China y Australia apuntan a las mismas señales de fondo de ondas gravitacionales en sus datos. A través del consorcio International Pulsar Timing Matrix, grupos individuales agrupan sus datos para caracterizar mejor la señal e identificar sus fuentes.

«Nuestros datos combinados serán aún más poderosos», dice Stephen Taylor de la Universidad de Vanderbilt, quien codirigió la nueva investigación y actualmente preside la colaboración NANOGrav. «Estamos emocionados de descubrir los secretos que revelarán sobre nuestro universo».