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Sep 17, 2023

El fondo de ondas gravitacionales del universo se escucha por primera vez

Por primera vez en la historia, los astrónomos han detectado ondas gravitacionales de baja frecuencia utilizando una antena del tamaño de una galaxia formada por púlsares de milisegundos en la Vía Láctea. Los astrónomos han oído el débil zumbido de

Por primera vez en la historia, los astrónomos han detectado ondas gravitacionales de baja frecuencia utilizando una antena del tamaño de una galaxia formada por púlsares de milisegundos en la Vía Láctea.

Los astrónomos han escuchado por primera vez el leve zumbido de las ondas gravitacionales que hacen eco en todo el universo.

Durante casi una década, los científicos han estado buscando el fondo de las ondas gravitacionales, un eco débil pero persistente de ondas gravitacionales que se cree que fueron desencadenadas por eventos que tuvieron lugar poco después del Big Bang y las fusiones de agujeros negros supermasivos en todo el cosmos. Si bien los físicos teorizaron durante mucho tiempo sobre ese fondo y los astrónomos lo buscaron, las señales de ondas gravitacionales que componen ese fondo han sido difíciles de detectar debido a que son débiles, además de vibrar en escalas de tiempo de una década. Ahora, las observaciones a largo plazo finalmente han confirmado su presencia.

En un anuncio muy esperado y coordinado globalmente el miércoles (28 de junio), equipos de científicos de todo el mundo informaron sobre el descubrimiento del "zumbido grave" de estas ondas cósmicas que fluyen a través de la Vía Láctea.

Si bien los astrónomos no saben definitivamente qué está causando el zumbido, la señal detectada es una "evidencia convincente" y consistente con las expectativas teóricas de ondas gravitacionales que emergen de copiosos pares de "los agujeros negros más masivos del universo entero" que pesan hasta miles de millones de soles, dijo Stephen Taylor, astrofísico de ondas gravitacionales de la Universidad de Vanderbilt en Tennessee, quien codirigió la investigación.

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Se anunciaron indicios de la misma señal en una serie de artículos publicados por científicos de China, India, Europa y Australia. Dicen que las señales pueden provenir de la fusión de agujeros negros supermasivos que están atrapados en danzas cósmicas, girando entre sí en órbitas que se reducen a lo largo de millones de años. Durante este proceso, liberan energía en forma de ondas gravitacionales que reverberan en todo el universo; ondas que los astrónomos ahora dicen haber detectado.

Los científicos informan que el zumbido de fondo de las ondas gravitacionales observado ha adquirido importancia con el tiempo, proporcionando pruebas tentadoras de que puede haber cientos de miles o incluso millones de agujeros negros supermasivos a punto de fusionarse en los próximos cientos de miles de años, a pesar de que los objetos gigantescos ellos mismos aún no han sido descubiertos.

Para detectar el fondo de ondas gravitacionales, los astrónomos estudiaron estrellas que giran rápidamente llamadas púlsares de milisegundos, que son estrellas muertas que giran hasta 700 veces por segundo con asombrosa regularidad, lanzando rayos de luz desde sus polos magnéticos, que se ven como "pulsos". cuando parpadean en dirección a la Tierra.

Estos faros cósmicos pueden ayudar a detectar ondas gravitacionales de agujeros negros supermasivos, de millones a miles de millones de veces más grandes que nuestro sol. En comparación, la red del Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) sólo puede detectar ondas gravitacionales que se originan en agujeros negros más pequeños que son hasta 10 veces más masivos que el Sol.

Si el enorme espacio entre la Tierra y los púlsares estuviera absolutamente vacío, entonces la luz de los relojes cósmicos parpadeantes tardaría el mismo tiempo en llegar a la Tierra cada vez que pulsaran en nuestra dirección. En realidad, la sincronización de los pulsos está influenciada por factores como el gas y el polvo en el medio interestelar y los movimientos de los púlsares y de la Tierra en la Vía Láctea.

Las ondas gravitacionales también estiran y comprimen el tejido espacio-temporal entre nosotros y los púlsares, distorsionando sus pulsos, que de otro modo serían meticulosamente regulares, desde decenas de nanosegundos hasta cinco o más años, lo que hace que los destellos de luz lleguen antes o después de lo normal.

En la nueva investigación, la "evidencia crítica" que revela que la fuente de las señales son agujeros negros supermasivos es un patrón único encontrado en los tiempos de llegada de pulsos de una antena cósmica del tamaño de una galaxia de púlsares de casi 70 milisegundos en la Vía Láctea. según un consorcio de astrónomos conocido como Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav). Las señales de ondas gravitacionales de los binarios de los agujeros negros se superponen "como voces en una multitud" y dan como resultado un zumbido incesante que se incrusta como un patrón único en los datos de sincronización del púlsar, dicen los científicos.

Los científicos extrajeron ese patrón observando haces en forma de faro de pares de púlsares. Utilizando varios radiotelescopios como el ahora colapsado Observatorio de Arecibo en Puerto Rico, el Observatorio Green Bank en Virginia Occidental, el Karl G. Jansky Very Large Array en Nuevo México y el Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) en Canadá, recopilaron datos. sobre el momento de esos pulsos cada mes durante 15 años. Luego, calcularon la diferencia entre los tiempos de llegada reales de los pulsos y los tiempos de llegada previstos, que podían estimar en 1 microsegundo, comparable a medir la distancia a la Luna con una precisión de una milésima de milímetro, dicen los científicos.

Las tan buscadas señales de ondas gravitacionales estaban incrustadas en esas diferencias, dijo Taylor. Esta es la primera vez que los científicos han encontrado evidencia convincente de tales patrones de inconsistencia grabados por un fondo de ondas gravitacionales, cuyos efectos sobre los destellos de luz de los púlsares fueron predichos por la teoría de la relatividad general de Einstein en 1916.

"Estamos extraordinariamente emocionados de ver que este patrón finalmente surja", dijo Taylor.

Los científicos saben que cuando los agujeros negros se fusionan, su gravedad interactúa con las estrellas cercanas, lo que drena las energías orbitales de los agujeros negros y los acerca cada vez más al punto de convertirse en un solo agujero negro. Un modelo simple sugiere que después de que los agujeros negros se acercan a 3,2 años luz entre sí, se fusionan irradiando ondas gravitacionales. Sin embargo, otros modelos han sugerido que los agujeros negros abarcan escalas de tiempo más largas que el universo mismo, ya que detiene su fusión cuando alcanza esa marca de 3,2 años luz.

"En un momento, a los científicos les preocupaba que los agujeros negros supermasivos en binarios orbitaran entre sí para siempre, sin acercarse nunca lo suficiente como para generar una señal como esta", dijo Luke Zoltan Kelley, profesor asistente en la Universidad de California, Berkeley y parte de la colaboración NANOGrav, dijo en un comunicado.

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Entonces, no se ha entendido muy bien cómo esos agujeros negros reducen su órbita más allá de esa distancia y finalmente se fusionan, lo que se conoce como el "problema del parsec final".

"Para obtener estos tipos de altas amplitudes que estamos viendo, necesitamos agujeros negros bastante masivos, y necesitan formar binarios con bastante frecuencia y evolucionar de manera bastante eficiente", dijo Kelley.

Si el descubrimiento tiene éxito y las señales que se detectan terminan siendo de agujeros negros binarios, "entonces absolutamente tuvieron que haber pasado el parsec final de una forma u otra", añadió.

Se han publicado cuatro estudios separados sobre el descubrimiento del fondo de ondas gravitacionales en The Astrophysical Journal Letters: El conjunto de datos de 15 años de NANOGrav: evidencia de un fondo de ondas gravitacionales El conjunto de datos de 15 años de NANOGrav: observaciones y sincronización de púlsares de 68 milisegundos El NANOGrav Conjunto de datos de 15 años: caracterización de detectores y presupuesto de ruidoConjunto de datos de 15 años de NANOGrav: búsqueda de señales de nueva física

The Astrophysical Journal Letters ha aceptado dos estudios adicionales para su publicación en una fecha posterior.

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Sharmila es una periodista científica que vive en Seattle. Encontró su amor por la astronomía en The Pale Blue Dot de Carl Sagan y desde entonces ha quedado enganchada. Tiene una maestría en Periodismo de la Universidad Northeastern y ha colaborado como escritora en la revista Astronomy desde 2017. Síguela en Twitter en @skuthunur.

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