El universo está zumbando con radiación gravitacional, un estruendo de muy baja frecuencia que estira y comprime rítmicamente el espacio-tiempo y la materia incrustada en él.
Esa es la conclusión de varios grupos de investigadores de todo el mundo que publicaron simultáneamente una gran cantidad de artículos en revistas en junio que describen más de 15 años de observaciones de púlsares de milisegundos dentro de nuestro rincón de la Vía Láctea. Al menos un grupo, la colaboración del Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav), ha encontrado evidencia convincente de que los ritmos precisos de estos púlsares se ven afectados por el estiramiento y la compresión del espacio-tiempo por estas ondas gravitacionales de longitud de onda larga.
«Esta es una evidencia clave de las ondas gravitacionales en frecuencias muy bajas», dice Stephen Taylor, de la Universidad de Vanderbilt, quien codirigió la búsqueda y es el actual presidente de la colaboración. «Después de años de trabajo, NANOGrav está abriendo una ventana completamente nueva en el universo de ondas gravitacionales».
Las ondas gravitacionales fueron detectadas por primera vez por el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) en 2015. Las fluctuaciones de longitud de onda corta en el espacio-tiempo fueron causadas por la fusión de agujeros negros más pequeños, u ocasionalmente estrellas de neutrones, todos ellos con un peso de menos de un unos cientos de masas solares.
La pregunta ahora es: ¿las ondas gravitacionales de longitud de onda larga, con períodos de años a décadas, también son producidas por agujeros negros?
En un artículo del consorcio NANOGrav, publicado en The Astrophysical Journal Letters, Universidad de California, Berkeley, el físico Luke Zoltan Kelley y el equipo de NANOGrav argumentaron que el zumbido probablemente sea producido por cientos de miles de pares de agujeros negros supermasivos, cada uno con un peso de miles de millones. de veces la masa de nuestro sol, que a lo largo de la historia del universo se han acercado lo suficiente como para fusionarse.
El equipo produjo simulaciones de poblaciones binarias de agujeros negros supermasivos que contenían miles de millones de fuentes y comparó las firmas de ondas gravitacionales predichas con las observaciones más recientes de NANOGrav.
La danza orbital de los agujeros negros antes de fusionarse hace vibrar el espacio-tiempo de forma análoga a la forma en que los bailarines hacen vibrar rítmicamente una pista de baile. Tales fusiones durante la edad de 13.800 millones de años del universo produjeron ondas gravitacionales que hoy se superponen, como las ondas de un puñado de guijarros arrojados a un estanque, para producir el zumbido de fondo. Debido a que las longitudes de onda de estas ondas gravitacionales se miden en años luz, detectarlas requirió un conjunto de antenas del tamaño de una galaxia: una colección de púlsares de milisegundos.
«Supongo que el elefante en la habitación es que todavía no estamos 100% seguros de que sea producido por binarios de agujeros negros supermasivos. Esa es definitivamente nuestra mejor suposición, y es totalmente consistente con los datos, pero no estamos seguros», dijo. Kelley, profesor adjunto adjunto de astronomía de UC Berkeley. «Si se trata de binarios, entonces esa es la primera vez que confirmamos que existen binarios de agujeros negros supermasivos, lo que ha sido un gran rompecabezas durante más de 50 años».
«La señal que estamos viendo es de una población cosmológica en el espacio y en el tiempo, en 3D. Una colección de muchos, muchos de estos binarios colectivamente nos dan este trasfondo», dijo el astrofísico Chung-Pei Ma, profesor de Judy Chandler Webb en Ciencias Físicas en los departamentos de astronomía y física de UC Berkeley y miembro de la colaboración NANOGrav.
Ma señaló que si bien los astrónomos han identificado una serie de posibles binarios de agujeros negros supermasivos utilizando observaciones de radio, ópticas y de rayos X, pueden usar ondas gravitacionales como una nueva sirena para guiarlos en el cielo para buscar ondas electromagnéticas y realizar estudios detallados. de binarios de agujeros negros.
Ma dirige un proyecto para estudiar 100 de los agujeros negros supermasivos más cercanos a la Tierra y está ansiosa por encontrar evidencia de actividad alrededor de uno de ellos que sugiera un par binario para que NANOGrav pueda sintonizar la matriz de sincronización de púlsares para sondear esa parte del cielo en busca de gravedad. ondas. Los binarios de agujeros negros supermasivos probablemente emitan ondas gravitacionales durante un par de millones de años antes de fusionarse.
Otras posibles causas de las ondas gravitacionales de fondo incluyen axiones de materia oscura, agujeros negros que quedaron del comienzo del universo, los llamados agujeros negros primordiales, y cuerdas cósmicas. Otro artículo de NANOGrav que aparece en ApJ Letters establece las limitaciones de estas teorías.
«Otros grupos han sugerido que esto proviene de la inflación cósmica o las cuerdas cósmicas u otros tipos de nuevos procesos físicos que en sí mismos son muy emocionantes, pero creemos que los binarios son mucho más probables. Para poder decir definitivamente que esto proviene de los binarios, sin embargo, lo que tenemos que hacer es medir cuánto varía la señal de la onda gravitacional en el cielo. Los binarios deberían producir variaciones mucho mayores que las fuentes alternativas», dijo Kelley.
«Ahora es realmente cuando comienza el trabajo serio y la emoción a medida que continuamos aumentando la sensibilidad. A medida que continuamos haciendo mejores mediciones, nuestras limitaciones en las poblaciones binarias de agujeros negros supermasivos van a mejorar rápidamente».
Fusiones de galaxias conducen a fusiones de agujeros negros
Se cree que la mayoría de las galaxias grandes tienen agujeros negros masivos en sus centros, aunque son difíciles de detectar porque la luz que emiten, que va desde los rayos X hasta las ondas de radio producidas cuando las estrellas y el gas caen en el agujero negro, generalmente está bloqueada por gas y polvo circundantes. Ma analizó recientemente el movimiento de las estrellas alrededor del centro de una gran galaxia, M87, y refinó las estimaciones de su masa (5370 millones de veces la masa del sol), a pesar de que el propio agujero negro está totalmente oscurecido.
De manera tentadora, el agujero negro supermasivo en el centro de M87 podría ser un agujero negro binario. Pero nadie lo sabe con seguridad.
«Mi pregunta para M87, o incluso para nuestro centro galáctico, Sagitario A*, es: ¿pueden ocultar un segundo agujero negro cerca del agujero negro principal que hemos estado estudiando? Y creo que actualmente nadie puede descartarlo», dijo Ma. . «La prueba irrefutable para esta detección de ondas gravitacionales provenientes de agujeros negros supermasivos binarios tendría que provenir de estudios futuros, donde esperamos poder ver detecciones de ondas continuas de fuentes binarias únicas».
Las simulaciones de fusiones de galaxias sugieren que los agujeros negros supermasivos binarios son comunes, ya que los agujeros negros centrales de dos galaxias fusionadas deberían hundirse juntos hacia el centro de la galaxia fusionada más grande. Estos agujeros negros comenzarían a orbitar entre sí, aunque las ondas que NANOGrav puede detectar solo se emiten cuando se acercan mucho, dijo Kelley, algo así como 10 a 100 veces el diámetro de nuestro sistema solar, o 1,000 a 10,000 veces el diámetro de la Tierra. distancia del sol, que es de 93 millones de millas.
Pero, ¿pueden las interacciones con el gas y el polvo en la galaxia fusionada hacer que los agujeros negros giren hacia adentro para acercarse tanto, haciendo inevitable una fusión?
«Esta ha sido la mayor incertidumbre en los binarios de agujeros negros supermasivos: ¿cómo se los lleva justo después de la fusión de galaxias hasta donde realmente se están fusionando», dijo Kelley. «Las fusiones de galaxias unen los dos agujeros negros supermasivos a aproximadamente un kiloparsec, una distancia de 3200 años luz, aproximadamente el tamaño del núcleo de una galaxia. Pero necesitan reducir a cinco o seis órdenes de magnitud separaciones más pequeñas antes de en realidad pueden producir ondas gravitacionales».
«Podría ser que los dos simplemente se hayan estancado», señaló Ma. «A eso lo llamamos el problema del último parsec. Si no tuviera otro canal para reducirlos, entonces no esperaríamos ver ondas gravitacionales».
Pero los datos de NANOGrav sugieren que la mayoría de los binarios de agujeros negros supermasivos no se estancan.
«La amplitud de las ondas gravitacionales que estamos viendo sugiere que las fusiones son bastante efectivas, lo que significa que una gran fracción de los agujeros negros supermasivos son capaces de pasar de estas escalas de fusión de galaxias grandes a escalas de subparsec muy, muy pequeñas». dijo Kelly.
NANOGrav pudo medir las ondas gravitacionales de fondo, gracias a la presencia de púlsares de milisegundos, estrellas de neutrones que giran rápidamente y barren un haz brillante de ondas de radio más allá de la Tierra varios cientos de veces por segundo. Por razones desconocidas, su frecuencia de pulsación es precisa en décimas de milisegundos.
Cuando el primer púlsar de milisegundos de este tipo fue encontrado en 1982 por el difunto astrónomo de UC Berkeley, Donald Backer, rápidamente se dio cuenta de que estos destellos de precisión podrían usarse para detectar las fluctuaciones del espacio-tiempo producidas por las ondas gravitacionales. Él acuñó el término «matriz de sincronización de púlsares» para describir un conjunto de púlsares dispersos a nuestro alrededor en la galaxia que podría usarse como detector.
En 2007, Backer fue uno de los fundadores de NANOGrav, una colaboración que ahora involucra a más de 190 científicos de EE. UU. y Canadá. El plan era monitorear al menos una vez al mes un grupo de púlsares de milisegundos en nuestra porción de la Vía Láctea y, después de tener en cuenta los efectos del movimiento, buscar cambios correlacionados en las frecuencias de los pulsos que pudieran atribuirse a la fuerza gravitacional de longitud de onda larga. ondas que viajan a través de la galaxia. El cambio en el tiempo de llegada de una señal púlsar en particular sería del orden de una millonésima de segundo, dijo Kelley.
«Son solo las variaciones estadísticamente coherentes las que realmente son el sello distintivo de las ondas gravitacionales», dijo. «Se ven variaciones en escalas de milisegundos, decenas de milisegundos todo el tiempo. Eso se debe solo a los procesos de ruido. Pero es necesario profundizar en eso y observar estas correlaciones para captar señales que tienen amplitudes de aproximadamente 100 nanosegundos». «
La colaboración NANOGrav monitoreó 68 púlsares en total, algunos durante 15 años, y empleó 67 en el análisis actual. El grupo lanzó públicamente sus programas de análisis, que están siendo utilizados por grupos en Europa (European Pulsar Timing Array), Australia (Parkes Pulsar Timing Array) y China (Chinese Pulsar Timing Array) para correlacionar señales de diferentes, aunque a veces superpuestos, conjuntos de púlsares que los utilizados por NANOGrav.
Los datos de NANOGrav permiten varias otras inferencias sobre la población de fusiones binarias de agujeros negros supermasivos a lo largo de la historia del universo, dijo Kelley. Por un lado, la amplitud de la señal implica que la población se inclina hacia masas más altas. Si bien los agujeros negros supermasivos conocidos tienen un máximo de alrededor de 20 mil millones de masas solares, muchos de los que crearon el fondo pueden haber sido más grandes, tal vez incluso 40 o 60 mil millones de masas solares. Alternativamente, puede haber muchos más binarios de agujeros negros supermasivos de lo que pensamos.
«Si bien la amplitud observada de la señal de onda gravitacional es ampliamente consistente con nuestras expectativas, definitivamente es un poco alta», dijo. «Entonces, necesitamos tener alguna combinación de agujeros negros supermasivos relativamente masivos, una tasa de ocurrencia muy alta de esos agujeros negros, y probablemente deban poder fusionarse de manera bastante efectiva para poder producir estas amplitudes que vemos. O tal vez es más bien, las masas son un 20% más grandes de lo que pensábamos, pero también se fusionan con el doble de eficacia, o alguna combinación de parámetros».
A medida que lleguen más datos de más años de observaciones, el equipo de NANOGrav espera obtener pruebas más convincentes de un fondo de ondas gravitacionales cósmicas y lo que lo produce, que podría ser una combinación de fuentes. Por ahora, los astrónomos están entusiasmados con las perspectivas de la astronomía de ondas gravitacionales.
«Esto es muy emocionante como una nueva herramienta», dijo Ma. «Esto abre una ventana completamente nueva para los estudios de agujeros negros supermasivos».
Los datos de NANOGrav provienen de 15 años de observaciones del Observatorio de Arecibo en Puerto Rico, una instalación que colapsó y quedó inutilizable en 2020; el Telescopio Green Bank en Virginia Occidental; y el Very Large Array en Nuevo México. Los resultados futuros de NANOGrav incorporarán datos del radiotelescopio Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), que se agregó al proyecto en 2019.
Con información de The Astrophysical Journal Letters
