Ondas gravitacionales gigantes: por qué los científicos están tan emocionados
Lunes 03 de
Julio 2023
Los astrofísicos describen lo que podrían significar las ondas gravitacionales de toda la galaxia para nuestra comprensión de los agujeros negros y la historia del cosmos.
El 29 de junio, cuatro equipos separados de científicos hicieron un anuncio 1 - 4 que promete sacudir la astrofísica: habían visto fuertes indicios de ondas gravitacionales muy largas que deformaban la galaxia .
Las ondas gravitacionales son ondas en el tejido del espacio-tiempo que se generan cuando se aceleran grandes masas. Se detectaron por primera vez en 2015, pero la evidencia más reciente apunta a ondas 'monstruosas' con longitudes de onda de 0,3 parsecs (1 año luz) o más; las ondas detectadas hasta ahora tienen longitudes de onda de decenas a cientos de kilómetros.
Aquí , Nature informa lo que estas monstruosas ondas gravitacionales podrían significar para nuestra comprensión del cosmos y cómo podría evolucionar el campo.
¿En qué se diferencian las ondas gravitacionales recién anunciadas de las que los astrónomos ya habían encontrado?
Las ondas gravitacionales fueron detectadas por primera vez por los detectores gemelos del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) en Luisiana y el estado de Washington. Sintieron las ondas producidas por dos agujeros negros que giraban en espiral y se fusionaban. Desde entonces, LIGO y su contraparte Virgo en Europa han informado de docenas de eventos similares.
Para obtener los últimos resultados, los autores se basaron en estrellas baliza especiales llamadas púlsares de milisegundos. Los equipos rastrearon los cambios durante más de una década en las distancias entre la Tierra y los púlsares de milisegundos en la Vía Láctea, comparando las señales de conjuntos de docenas de estrellas baliza. Estos conjuntos de sincronización de púlsares (PTA) son sensibles a ondas de 0,3 parsecs de largo o más.
Y mientras que LIGO y Virgo detectan evidencia de las últimas etapas de eventos de fusión individuales (ondas espaciadas regularmente que provienen de una dirección definida en el cielo), las cuatro colaboraciones de PTA hasta ahora solo han encontrado un "fondo estocástico", un empujón constante en direcciones aleatorias. Esto es comparable al chapoteo aleatorio del agua en la superficie de un estanque causado por la lluvia.
¿Cuál es el origen de las ondas?
La explicación más probable para el fondo estocástico visto por los PTA es que es producido por muchos pares de agujeros negros supermasivos que orbitan entre sí en el corazón de galaxias distantes, dice Sarah Burke-Spolaor, astrofísica de la Universidad de West Virginia en Morgantown.
Se cree que la mayoría de las galaxias albergan uno de esos monstruosos agujeros negros, con una masa de millones o miles de millones de veces la del Sol. Y los astrónomos saben que a lo largo de la historia del Universo, muchas galaxias se han fusionado. Entonces, algunas galaxias deben haber terminado con dos agujeros negros supermasivos, conocidos como binarios de agujeros negros.
Los investigadores también han calculado que en el centro abarrotado de una fusión galáctica de este tipo, cada agujero negro transferiría parte de su impulso a las estrellas circundantes, lanzándolas a gran velocidad o simplemente arrastrándolas. Como resultado, los dos agujeros negros eventualmente se ralentizarían y terminarían orbitando entre sí a distancias de alrededor de 1 parsec, explica Chiara Mingarelli, astrofísica de ondas gravitacionales de la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut.
Sin embargo, solo los agujeros negros emparejados que se acercaron mucho más entre sí que 1 parsec contribuirían a la señal PTA. “Necesitan estar separados por un miliparsec para emitir ondas gravitacionales detectables”, dice Mingarelli. Sin embargo, las teorías que explican cómo sucedería esto son especulativas, y si los binarios pueden hacer esto ha sido una pregunta abierta, conocida como el problema del parsec final. “Si no superas el problema del parsec final, entonces no obtienes ondas gravitacionales”, dice Mingarelli.
Los científicos ahora intentarán verificar que la señal de PTA realmente proviene de agujeros negros supermasivos binarios. Si eso pudiera confirmarse, sería evidencia de que los agujeros negros supermasivos pueden acercarse mucho entre sí en la naturaleza.
Ese resultado sería de fundamental importancia, dice Monica Colpi, astrofísica de la Universidad de Milán-Bicocca en Italia, mostrando que miles de binarios de agujeros negros en todo el Universo han "resuelto" de alguna manera el problema del parsec final. “Sería el descubrimiento de que tal población existe”.
¿Qué significarían esos agujeros negros binarios para LISA, el detector basado en el espacio planeado por Europa?
Los pares de agujeros negros supermasivos que se acercaron lo suficiente como para emitir ondas gravitacionales eventualmente colisionarían y se fusionarían. Eso se debe a que las propias ondas gravitacionales llevarían la energía y el impulso lejos de los agujeros negros, convirtiendo sus órbitas en espirales. En cientos a decenas de miles de años, cada uno de los pares terminaría chocando.
Colpi dice que esto podría ser una buena noticia para la Antena espacial del interferómetro láser (LISA), un trío de sondas que la Agencia Espacial Europea planea lanzar a mediados de la década de 2030.
A medida que los agujeros negros giran hacia adentro, las frecuencias de sus ondas gravitacionales aumentarán y, en algunos casos, entrarán en el espectro de sensibilidad de LISA. LISA será sensible a longitudes de onda de entre 3 millones de km y 3 mil millones de km, más cortas que las longitudes de onda que pueden detectar los PTA, aunque todavía mucho más largas que las detectadas por los detectores terrestres. Entonces LISA podría ver varias de estas fusiones durante su misión.
Las fusiones de agujeros negros también podrían ayudar a explicar cómo algunos de los agujeros negros han crecido tanto: ellos mismos son el resultado de fusiones anteriores.
¿Podría algo más que agujeros negros binarios estar produciendo el fondo estocástico?
Hay una plétora de teorías de física exótica que predicen un fondo omnidireccional similar de ondas provenientes de todas las direcciones en el espacio. Estas fuentes podrían constituir parte o incluso la mayor parte de la señal. Las posibilidades incluyen ciertos tipos de materia oscura e incluso cuerdas cósmicas, hipotéticos defectos infinitesimalmente delgados en la curvatura del espacio-tiempo. Las cuerdas cósmicas podrían desarrollar torceduras, que eventualmente podrían romperse, produciendo ondas gravitacionales.
Una de las explicaciones alternativas más emocionantes es un fondo de ondas gravitacionales cósmicas que se originan en el Universo primitivo, dice Burke-Spolaor. Los telescopios que ven a través del espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos γ, están limitados en cuanto a qué tan lejos pueden mirar y, por lo tanto, qué tan lejos en el pasado pueden ver. Esto se debe a que, mucho antes de que existieran las galaxias y las estrellas, un gas ionizado opaco llenaba el cosmos. Esto bloquea la visión de los astrónomos de lo que sucedió en el Universo durante sus primeros 400.000 años más o menos.
Pero las ondas gravitacionales pueden viajar a través de cualquier medio. Como resultado, cualquier onda de este tipo creada desde el primer instante después del Big Bang aún podría estar presente y ser detectable como parte de un fondo estocástico, proporcionando una ventana a la física extrema del Big Bang. "Eso es simplemente increíble para mí", dice Burke-Spolaor. “Quién sabe qué hay ahí atrás”.
Las ondas gravitacionales son ondas en el tejido del espacio-tiempo que se generan cuando se aceleran grandes masas. Se detectaron por primera vez en 2015, pero la evidencia más reciente apunta a ondas 'monstruosas' con longitudes de onda de 0,3 parsecs (1 año luz) o más; las ondas detectadas hasta ahora tienen longitudes de onda de decenas a cientos de kilómetros.
Aquí , Nature informa lo que estas monstruosas ondas gravitacionales podrían significar para nuestra comprensión del cosmos y cómo podría evolucionar el campo.
¿En qué se diferencian las ondas gravitacionales recién anunciadas de las que los astrónomos ya habían encontrado?
Las ondas gravitacionales fueron detectadas por primera vez por los detectores gemelos del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) en Luisiana y el estado de Washington. Sintieron las ondas producidas por dos agujeros negros que giraban en espiral y se fusionaban. Desde entonces, LIGO y su contraparte Virgo en Europa han informado de docenas de eventos similares.
Para obtener los últimos resultados, los autores se basaron en estrellas baliza especiales llamadas púlsares de milisegundos. Los equipos rastrearon los cambios durante más de una década en las distancias entre la Tierra y los púlsares de milisegundos en la Vía Láctea, comparando las señales de conjuntos de docenas de estrellas baliza. Estos conjuntos de sincronización de púlsares (PTA) son sensibles a ondas de 0,3 parsecs de largo o más.
Y mientras que LIGO y Virgo detectan evidencia de las últimas etapas de eventos de fusión individuales (ondas espaciadas regularmente que provienen de una dirección definida en el cielo), las cuatro colaboraciones de PTA hasta ahora solo han encontrado un "fondo estocástico", un empujón constante en direcciones aleatorias. Esto es comparable al chapoteo aleatorio del agua en la superficie de un estanque causado por la lluvia.
¿Cuál es el origen de las ondas?
La explicación más probable para el fondo estocástico visto por los PTA es que es producido por muchos pares de agujeros negros supermasivos que orbitan entre sí en el corazón de galaxias distantes, dice Sarah Burke-Spolaor, astrofísica de la Universidad de West Virginia en Morgantown.
Se cree que la mayoría de las galaxias albergan uno de esos monstruosos agujeros negros, con una masa de millones o miles de millones de veces la del Sol. Y los astrónomos saben que a lo largo de la historia del Universo, muchas galaxias se han fusionado. Entonces, algunas galaxias deben haber terminado con dos agujeros negros supermasivos, conocidos como binarios de agujeros negros.
Los investigadores también han calculado que en el centro abarrotado de una fusión galáctica de este tipo, cada agujero negro transferiría parte de su impulso a las estrellas circundantes, lanzándolas a gran velocidad o simplemente arrastrándolas. Como resultado, los dos agujeros negros eventualmente se ralentizarían y terminarían orbitando entre sí a distancias de alrededor de 1 parsec, explica Chiara Mingarelli, astrofísica de ondas gravitacionales de la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut.
Sin embargo, solo los agujeros negros emparejados que se acercaron mucho más entre sí que 1 parsec contribuirían a la señal PTA. “Necesitan estar separados por un miliparsec para emitir ondas gravitacionales detectables”, dice Mingarelli. Sin embargo, las teorías que explican cómo sucedería esto son especulativas, y si los binarios pueden hacer esto ha sido una pregunta abierta, conocida como el problema del parsec final. “Si no superas el problema del parsec final, entonces no obtienes ondas gravitacionales”, dice Mingarelli.
Los científicos ahora intentarán verificar que la señal de PTA realmente proviene de agujeros negros supermasivos binarios. Si eso pudiera confirmarse, sería evidencia de que los agujeros negros supermasivos pueden acercarse mucho entre sí en la naturaleza.
Ese resultado sería de fundamental importancia, dice Monica Colpi, astrofísica de la Universidad de Milán-Bicocca en Italia, mostrando que miles de binarios de agujeros negros en todo el Universo han "resuelto" de alguna manera el problema del parsec final. “Sería el descubrimiento de que tal población existe”.
¿Qué significarían esos agujeros negros binarios para LISA, el detector basado en el espacio planeado por Europa?
Los pares de agujeros negros supermasivos que se acercaron lo suficiente como para emitir ondas gravitacionales eventualmente colisionarían y se fusionarían. Eso se debe a que las propias ondas gravitacionales llevarían la energía y el impulso lejos de los agujeros negros, convirtiendo sus órbitas en espirales. En cientos a decenas de miles de años, cada uno de los pares terminaría chocando.
Colpi dice que esto podría ser una buena noticia para la Antena espacial del interferómetro láser (LISA), un trío de sondas que la Agencia Espacial Europea planea lanzar a mediados de la década de 2030.
A medida que los agujeros negros giran hacia adentro, las frecuencias de sus ondas gravitacionales aumentarán y, en algunos casos, entrarán en el espectro de sensibilidad de LISA. LISA será sensible a longitudes de onda de entre 3 millones de km y 3 mil millones de km, más cortas que las longitudes de onda que pueden detectar los PTA, aunque todavía mucho más largas que las detectadas por los detectores terrestres. Entonces LISA podría ver varias de estas fusiones durante su misión.
Las fusiones de agujeros negros también podrían ayudar a explicar cómo algunos de los agujeros negros han crecido tanto: ellos mismos son el resultado de fusiones anteriores.
¿Podría algo más que agujeros negros binarios estar produciendo el fondo estocástico?
Hay una plétora de teorías de física exótica que predicen un fondo omnidireccional similar de ondas provenientes de todas las direcciones en el espacio. Estas fuentes podrían constituir parte o incluso la mayor parte de la señal. Las posibilidades incluyen ciertos tipos de materia oscura e incluso cuerdas cósmicas, hipotéticos defectos infinitesimalmente delgados en la curvatura del espacio-tiempo. Las cuerdas cósmicas podrían desarrollar torceduras, que eventualmente podrían romperse, produciendo ondas gravitacionales.
Una de las explicaciones alternativas más emocionantes es un fondo de ondas gravitacionales cósmicas que se originan en el Universo primitivo, dice Burke-Spolaor. Los telescopios que ven a través del espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos γ, están limitados en cuanto a qué tan lejos pueden mirar y, por lo tanto, qué tan lejos en el pasado pueden ver. Esto se debe a que, mucho antes de que existieran las galaxias y las estrellas, un gas ionizado opaco llenaba el cosmos. Esto bloquea la visión de los astrónomos de lo que sucedió en el Universo durante sus primeros 400.000 años más o menos.
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Con información de
Nature
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