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Los científicos encuentran indicios clave de la existencia de ondas gravitacionales de nanohercios que provienen de todas partes del Universo y que forman un fondo estocástico.

Varios equipos internacionales presentaron ayer al mundo la existencia de un fondo de ondas gravitacionales, un zumbido que no es un sonido, sino que está formado por ondas en el propio espacio-tiempo de acuerdo a la Relatividad General de Albert Einstein.

Estas ondas gravitacionales no serían de las mismas frecuencias que las ya descubiertas por LIGO y Virgo, sino que serían ondas gravitacionales de frecuencia ultrabaja, del orden de los nanohercios. Es decir, su periodo, o el tiempo necesario para poder observar el paso de una cresta de la onda a otra, sería mil millones de segundos. Esto implica una distancia de años luz en longitud de onda. Así que para poder escuchar este zumbido hay que estar oyendo durante años.

Tales ondas, que no se han observado previamente, probablemente se originan en todo el Cosmos por pares de agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias primitivas en proceso de fusión y que generarían una señal por acumulación. Sería como una «orquesta», cada par de agujeros negros supermasivos genera o «toca» una nota diferente y lo que se está recibiendo o «escuchando» es la «sinfonía» o la suma de todas esas señales a la vez que emanaba de todas partes al mismo tiempo.

Desde 2015, LIGO y Virgo han estado utilizando una técnica interferometría para la detección de ondas gravitacionales. Sus brazos tienen solo unos pocos kilómetros y son capaces de detectar ondas con una longitud de onda de solo decenas o cientos de kilómetros de largo como máximo o una gama de frecuencias de unos pocos cientos de hercios. Con ellos han podido detectar ondas gravitacionales procedentes de colisiones de agujeros negros con masas que varían entre 10 a 100 veces la del Sol.

Este descubrimiento es el resultado de más de 15 años de observaciones con los radiotelescopios más sensibles del mundo. Obviamente los radiotelescopios no pueden detectar las ondas gravitacionales en sí, sino que se apuntan a púlsares lejanos a la vez y se trata de medir desviaciones temporales en la recepción de sus pulsos. Básicamente, la onda gravitacional pasa entre el pulsar y nosotros y esto hace que cambie en muy poco la distancia entre ese objeto y nosotros. Es decir, como se conoce muy bien la regularidad de los pulsos de radio emitidos por estos objetos, podemos entonces detectar estiramientos y compresiones sutiles del espacio-tiempo causados por ondas gravitacionales.

La sincronización de un solo púlsar no sería lo suficientemente fiable para detectar ondas gravitacionales. En su lugar se mide una variedad de docenas. Así, por ejemplo, la colaboración NANOGrav ha publicado ahora los resultados del seguimiento del tiempo de 45 púlsares, pero ya trabaja en mediciones de 67 púlsares, cada uno seguido durante al menos tres años.

Ligo o Virgo usan una interferencia en fase que es equivalente a medir desviaciones en tiempos de llegada. Sin embargo, en este caso se buscan correlaciones estadísticas en en el ruido de los tiempos de llegada que equivalen a correlaciones en fase. Como resultado, han encontrado un patrón específico llamado curva de Hellings-Downs, que predice cómo, en presencia de ondas gravitacionales provenientes de todas las direcciones posibles, la correlación entre pares de púlsares varía en función de su separación en el cielo.

Este detector indirecto de ondas gravitacionales es astronómicamente vasto, es esencialmente del tamaño de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Abarca púlsares de milisegundos elegidos específicamente y dispersos por la Vía Láctea y que permiten a los investigadores analizar ondas gravitacionales de frecuencias ultrabajas con longitudes de onda de varios años luz. Tales frecuencias son imposibles de observar con detectores como LIGO y Virgo, que están limitados a longitudes de onda de varios kilómetros. Estas frecuencias ultrabajas proporcionan la oportunidad de observar fuentes y fenómenos únicos que no se pueden estudiar de otro modo. Básicamente, se ha abierto una nueva ventana para el estudio de las ondas gravitacionales.

Las ondas gravitacionales que ahora se han revelado son probablemente una suma de señales de una gran cantidad de agujeros negros supermasivos que se orbitan entre sí muy lentamente en el corazón de galaxias distantes y que se encuentran a distancias de hasta 10 mil millones de años luz. Todavía se sabe poco sobre la población de agujeros negros dobles con masas enormes de millones a miles de millones de veces la masa del sol que se forma cuando las galaxias se fusionan. Posiblemente, esta nueva técnica ayude a entenderlos mejor.

Estos resultados formarían la primera prueba directa de que tales binarios existen y de que algunos tienen órbitas lo suficientemente cercanas como para producir ondas gravitacionales medibles. El destino de estos pares de agujeros negros es que finalmente se fusionen, creando ráfagas de ondas gravitacionales similares a las vistas por LIGO, pero en una escala mucho mayor. Si todo va bien, estas señales finales serán entonces detectadas en el espacio por la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA), una misión de la Agencia Espacial Europea cuyo lanzamiento está previsto para la década de 2030.

Hay tres colaboraciones que han acumulado décadas de datos y que acaban de informar de sus resultados: el grupo norteamericano NANOGrav; el European Pulsar Timing Array, con la contribución de astrónomos de la India; y Parkes Pulsar Timing Array en Australia. Además, hay una cuarta colaboración (Chinese Pulsar Timing Array) que dice haber encontrado indicios de estas ondas con solo tres años de datos, debido a la sensibilidad excepcional del Telescopio esférico de apertura de quinientos metros (FAST), que se inauguró en 2016 en la región de Guizhou en China.

Como anécdota habría que señalar que la colaboración NANOGrav fue la primera en acumular datos suficientes como para publicar la detección de este tipo de señal en 2020. Lamentablemente, dejaron de tener datos del icónico radiotelescopio en el Observatorio de Arecibo en Puerto Rico cuando una tormenta lo afectó gravemente ese año y finalmente se decidiera su derribo. Pese a todo, el equipo decidió esperar a que las otras colaboraciones vieran indicios de este tipo de señal antes de publicar sus descubrimientos. No deja de tener mérito el esperar a los demás tres años en estos tiempos tan mezquinos.

«Ver la curva de Hellings-Downs aparecer por primera vez de una manera real, fue un momento hermoso. Nunca me canso de verlo», dice Chiara Mingarelli de la Universidad de Yale en New Haven y miembro de NANOGrav.

Los resultados obtenidos de forma independiente por los distintos equipos concuerdan entre sí, lo que da aún más confianza de que esta señal incipiente realmente provenga de ondas gravitacionales y no sean fuente de algún error. Aún así, todavía hay que mejorar la confianza estadística con más datos para asegurarse del descubrimiento. Los hallazgos tienen ahora un nivel de confianza de 3,5 a 4 sigmas, apenas por debajo del estándar de 5 sigmas que generalmente los físicos consideran suficiente como para declarar un descubrimiento irrefutable.

Los científicos combinan ahora sus conjuntos de datos para generar el International Pulsar Timing Array. El objetivo es expandir y fusionar los distintos conjuntos de datos y crear finalmente un conjunto de datos global. Esto equivale a alrededor de un equivalente de 25 años de mediciones de 115 púlsares. Los resultados se darán a conocer en aproximadamente un año y se esperaba que se superará el nivel de descubrimiento de 5 sigmas. En última instancia, esto conducirá a nuevos conocimientos sobre la evolución de los agujeros negros supermasivos y las enormes galaxias en las que se formaron.

Al «escuchar» la «sinfonía» de ondas gravitacionales, los científicos esperan determinar cuántos «instrumentos» se están tocando e incluso comenzar a comprender cómo son esos sistemas binarios de agujeros negros supermasivos.

Un aspecto particularmente desconcertante de la señal de fondo de ondas gravitacionales es que es sorprendentemente fuerte, aproximadamente el doble de poderosa de lo previsto. Si la señal procede puramente de binarios de agujeros negros supermasivos, su intensidad podría significar que estos gigantes son más grandes o más abundantes de lo que los científicos habían conjeturado.

Los investigadores esperan ir más allá de la curva de Hellings-Downs y que puedan ver señales de sistemas de agujeros negros supermasivos binarios individuales lo suficientemente cerca de nuestra galaxia y, por lo tanto, que su la intensidad de sus ondas gravitacionales sea lo suficientemente fuerte como para sobresalir de la señal de fondo.

Hay otras posibilidades que son aún más maravillosas para esta señal de fondo de ondas gravitacionales. Una posibilidad es que parte de este fondo esté generado por cuerdas cósmicas, que serían grietas hipotéticas en el espacio-tiempo. Otra que se deba a la formación de agujeros negros supermasivos primordiales. También puede que este susurro ambiental del espacio-tiempo esté constituido en parte por el ruido residual en forma de ondas gravitacionales generadas en el propio origen del Cosmos y que serían las fluctuaciones cuánticas masivamente infladas generadas justo después del Big Bang. Esta última posibilidad es realmente fascinante, pues no podemos ver con ondas electromagnéticas más atrás que los 380.000 años tras en Big Bang, pues el Universo no era transparente en ese tiempo al estar lleno de plasma caliente. Sin embargo, las ondas gravitacionales nos permitirían estudiar el Universo desde el mismo momento posterior al propio Big Bang. Aún no se tienen suficientes datos para diferenciar o saber cuánta señal proviene de qué tipo de fuente.

En todo caso, estas observaciones borran la idea un Universo cuyo espacio-tiempo sea un mar tranquilo, por el contrario revelan un Universo ruidoso y vivo en cuyo mar hay olas gigantes a una escala sin igual que generan una sinfonía cósmica de ondas gravitacionales, un susurro universal.

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Fuentes y referencias:
Artículo original 1.
Artículo original 2.
Artículo original 3.
Preprint en ArXiv.
Ilustración: Aurore Simonnet para NANOGrav Collaboration.