La primera evidencia de ondas gravitacionales gigantes emociona a los astrónomos

Después de casi dos décadas de escuchar, los astrónomos finalmente están comenzando a “escuchar” los ruidos de las ondas gravitacionales que creen que emanan de los gigantes de nuestro universo: los agujeros negros supermasivos.

El resultado proviene de una iniciativa patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencias conocida como Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav). Desde 2004, NANOGrav ha monitoreado destellos de luz parecidos a metrónomo provenientes de una red de estrellas muertas conocidas como púlsares que abarca la Vía Láctea. Forjados a partir de los corazones de estrellas masivas en explosión, estos orbes del tamaño de una ciudad pesan tanto como un sol entero y pueden girar miles de veces por segundo. Esto los convierte en cronometradores notablemente precisos y centinelas ideales para las ondas especialmente grandes en el espacio-tiempo que se predice que surgirán de la fusión de agujeros negros supermasivos.

Estas ondas gravitacionales son distintas de los tipos que se informaron anteriormente desde el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) y otros detectores terrestres. Por un lado, no todas las ondas detectadas a través de púlsares serían atribuibles a eventos de fusión individuales: formarían el llamado fondo de ondas gravitacionales, el susurro ambiental del espacio-tiempo formado a partir de fusiones acumulativas en todo el cosmos. Otra distinción importante es que, en su recorrido desde la cresta hasta el valle, cada una de estas ondas debería tener aproximadamente el tamaño de nuestro sistema solar, lo que, contraintuitivamente, las hace mucho más difíciles de detectar. Estas gigantescas oleadas en el espacio-tiempo, que se extienden sobre el espacio plagado de púlsares, podrían traicionar su presencia a través de minúsculas compensaciones en los giros de las estrellas muertas, permitiendo a los observadores vislumbrarlas a través de minuciosas mediciones. En una colección de cinco artículos publicados hoy, eso es esencialmente lo que NANOGrav afirma haber hecho.

“Es increíblemente emocionante porque creemos que estamos empezando a abrir esta nueva ventana al universo de ondas gravitacionales”, dice Sarah Vigeland, astrofísica de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y miembro de NANOGrav.

(El trabajo de la colaboración hasta la fecha no ha cumplido con el estándar de oro estadístico de cómo los físicos evalúan la solidez de un hallazgo. Por lo tanto, por ahora, los científicos que trabajan en el proyecto están reclamando modestamente “evidencia de” el fondo de ondas gravitacionales, no una descripción completa. (detección completa. Pero confían en que ese hito vendrá con observaciones adicionales).

NANOGrav es sólo uno de varios proyectos diferentes de matrices de temporización de púlsares que se están llevando a cabo en todo el mundo. Todos estos esfuerzos siguen el mismo plan básico: utilizan radiotelescopios para monitorear docenas de púlsares superpredecibles durante años para captar pequeñas variaciones en su giro rítmico.

“Podemos crear estos modelos que básicamente nos permiten saber el tiempo de llegada a precisiones que rivalizan con los relojes atómicos”, dice Thankful Cromartie, astrofísico de la Universidad de Cornell y miembro de NANOGrav. “Así que sabemos cuando está sucediendo algo, algo en juego que está provocando que los púlsares se desvíen un poco del tiempo”, algo así como ondas gravitacionales que estiran y reducen el espacio entre la Tierra y cada púlsar.

Esto lo convierte en un experimento natural notablemente elegante. “No es necesario construir este detector de mil millones de dólares; sólo necesitas montar un radiotelescopio y observar el universo”, dice Caitlin Witt, astrofísica de la Universidad Northwestern y miembro de NANOGrav.

Aunque los conjuntos de temporización de púlsares no requieren detectores extremadamente especializados, sí requieren paciencia. Sobre la base de artículos anteriores de NANOGrav de 2020 que informaron una señal más límite que era consistente con las expectativas para el fondo de ondas gravitacionales, los últimos resultados incluyen datos de 15 años de la colaboración norteamericana. NANOGrav ahora está monitoreando 68 púlsares diferentes que forman un detector natural de ondas gravitacionales aproximadamente del tamaño de nuestra galaxia. (Los “nuevos” datos en el análisis del proyecto se extienden hasta agosto de 2020, cuando el icónico radiotelescopio del Observatorio de Arecibo de Puerto Rico comenzó a deslizarse hacia el colapso y cesó las observaciones. Desde entonces, el Experimento Canadiense de Mapeo de Intensidad de Hidrógeno se ha unido a NANOGrav para reforzar sus capacidades).

Pero a pesar del volumen de datos y del esperanzador anuncio de hoy, los científicos apenas están comenzando a detectar el fondo de ondas gravitacionales y todavía tienen más preguntas que respuestas.

Por ejemplo, si bien el consenso sostiene que los pares de agujeros negros supermasivos son las fuentes astrofísicas específicas responsables de la mayor parte del fondo de ondas gravitacionales, sigue siendo difícil encontrar pruebas concluyentes de ello.

“Se puede pensar en cada binario de agujero negro supermasivo individual como un solo instrumento, y el fondo de ondas gravitacionales es la sinfonía de todos ellos sumados”, dice Maura McLaughlin, astrofísica de la Universidad de West Virginia y miembro de NANOGrav. Pero también podrían existir otros “instrumentos”, que posiblemente podrían contribuir tanto, si no más, a la cacofonía cósmica de ondas gravitacionales gigantes.

Al analizar el “sonido” de la sinfonía, los científicos esperan determinar cuántos instrumentos de este tipo están tocando e incluso comenzar a comprender cómo son esos binarios de agujeros negros supermasivos. Y debido a que los científicos creen que estas binarias surgen como consecuencia de colisiones entre galaxias que albergan agujeros negros supermasivos, el trabajo de NANOGrav debería arrojar luz sobre el ensamblaje jerárquico de grandes galaxias, incluida la Vía Láctea.

Pero otros fenómenos más extraños, como las cuerdas cósmicas o las fluctuaciones cuánticas enormemente infladas inmediatamente después del Big Bang, también podrían contribuir al fondo de ondas gravitacionales. Los científicos aún no tienen datos suficientes para notar la diferencia o saber cuánta señal proviene de qué tipo de fuente.

Un aspecto particularmente desconcertante de la señal de fondo de ondas gravitacionales que NANOGrav informa es que es sorprendentemente fuerte: aproximadamente el doble de lo previsto. Si las explicaciones más esotéricas no dan resultado, y la señal proviene puramente de binarios de agujeros negros supermasivos, su fuerza inesperada podría significar que estos gigantes son más grandes o más abundantes de lo que los científicos habían supuesto.

Un hallazgo así podría inspirar nuevos esfuerzos para encontrar pruebas de la fusión de agujeros negros supermasivos también en datos de telescopios más tradicionales, dice Jenny Greene, astrofísica de la Universidad de Princeton, que no participó en la nueva investigación. “Es un poco embarazoso: esperamos que [supermassive] Los agujeros negros deberían estar fusionándose, pero realmente no hemos podido encontrar evidencia observacional”, afirma. “Si hay tantos binarios, realmente deberíamos poder encontrarlos, así que creo que esto estimulará nuevos esfuerzos en ese sentido”.

Para poder identificar las fuentes de la señal, los científicos necesitarán dedicar aún más tiempo a observar más púlsares. “Es como si desenterraras el esqueleto de un dinosaurio y luego empezaras a quitarle el polvo. Al principio piensas: ‘Oh, esto se ve genial’. Y luego, cuanto más polvo se quita, más se puede empezar a ver el esqueleto”, dice Chiara Mingarelli, astrofísica de la Universidad de Yale y miembro de NANOGrav. “En este momento sabemos definitivamente que encontramos un esqueleto de dinosaurio, pero tal vez aún no sepamos qué tipo de dinosaurio es”.

A pesar de esa incertidumbre, los científicos están seguros de que la señal es real y proviene de ondas gravitacionales debido a una huella digital única que solo ha surgido en el lote más reciente de datos de NANOGrav. En 1983, los investigadores calcularon que una señal de fondo de ondas gravitacionales variaría ligeramente (pero de manera predecible) cuando se la veía a través de diferentes pares de púlsares, dependiendo de la ubicación de cada púlsar en el cielo, en comparación con el lugar donde aparecía el otro púlsar. Esa correlación es lo que los científicos de NANOGrav dicen que ahora están viendo en sus datos. “Esa es la nueva pieza realmente emocionante aquí, y comienza a darte confianza de que realmente están detectando agujeros negros fusionándose”, dice Greene.

A medida que NANOGrav y otros sistemas de temporización de púlsares continúan su trabajo, los científicos esperan no sólo comprender qué categoría de objetos están creando el fondo de ondas gravitacionales, sino también comenzar a ver las señales de distintos pares de agujeros negros supermasivos que emergen del ruido de fondo.

“La verdadera prueba será la detección de eventos individuales”, afirma Shobita Satyapal, astrofísico de la Universidad George Mason, que no participó en la nueva investigación y la considera apasionante.

Los científicos de NANOGrav también están entusiasmados de continuar trabajando con colaboradores en experimentos similares de matrices de temporización de púlsares en Australia, Europa e India para combinar todas las observaciones de estos grupos en un detector aún más potente en un proyecto denominado International Pulsar Timing Array. “Sospecho que los hallazgos serán aún más sólidos cuando se combinen; al menos esa es la esperanza”, dice Priyamvada Natarajan, astrofísico de Yale y miembro de NANOGrav.

Otros detectores más nuevos también se están uniendo a la búsqueda. Entre ellos se incluye el potente radiotelescopio esférico de apertura de quinientos metros (FAST) de China, que comenzó a realizar observaciones en 2016. “¿Qué es realmente importante para detectar [individual supermassive black hole binary systems] es tener un telescopio de muy alta potencia que pueda tomar tiempos muy precisos de nuestros mejores púlsares”, dice Mingarelli. “En este momento, el telescopio FAST en China realmente está marcando el camino para lograrlo”.

Los observatorios futuros también pueden contribuir a medida que continúe el trabajo de sincronización de púlsares. El Square Kilometer Array en Australia y Sudáfrica comenzará a funcionar en 2027. Y los científicos norteamericanos esperan tener su propio nuevo observatorio: un proyecto llamado Deep Synoptic Array–2000 que los astrónomos han propuesto construir en Nevada. Cualquiera que sea la fuente, la tarea más importante será recopilar más y mejores datos sobre más púlsares, lo que ayudará a precisar las ondas gravitacionales que se propagan de manera invisible a través del universo.

“Aún queda mucho trabajo por hacer en las próximas décadas”, afirma McLaughlin. “En realidad, este no es de ninguna manera el final de la historia; es sólo el comienzo”.