Un experimento que abarca toda la galaxia ha "oído" por primera vez un mar invisible de ondulaciones en el espacio-tiempo
Lorenzo Ennoggi (Rochester Institute of Technology)
- Los científicos tienen pruebas de la existencia de un mar de ondulaciones en el espacio-tiempo llamado fondo de ondas gravitacionales.
- Su experimento ha utilizado estrellas giratorias muertas para piratear la Vía Láctea hasta convertirla en un detector de ondas.
- Este estudio podría revelar los secretos que hay tras los agujeros negros supermasivos así como reescribir la historia del universo más temprano.
Todo se mueve en un mar de ondulaciones del espacio-tiempo, denominado ondas gravitacionales, que reverberan en el tejido del universo, según han anunciado varios científicos. Esas ondulaciones son probablemente el ruido lejano de innumerables colisiones entre agujeros negros supermasivos, a través del espacio y el tiempo.
El estruendo es tan fuerte que los investigadores creen que hay cientos de miles, si no millones, de estas colisiones que han tenido lugar desde los albores del universo. Se trata de una prueba más de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.
Einstein predijo que la intensa gravedad de los objetos extremadamente masivos, como los agujeros negros, deforma el tejido del espacio-tiempo. Según la teoría, si esos objetos se mueven o chocan entre sí, emitirán ondas de energía que deforman el espacio-tiempo: las ondas gravitacionales.
NANOGrav collaboration; Aurore Simonet
En este océano cósmico recién descubierto, llamado fondo de ondas gravitacionales, cada onda puede durar años o décadas, y tiene una frecuencia extremadamente baja, del orden de la milmillonésima parte de un hercio. Han hecho falta, no solo 15 años de estudio, sino un experimento que se extiende por toda la galaxia con el objetivo de captar señales de ellas.
"Estas observaciones revelan un universo ondulante y ruidoso, vivo con la sinfonía cósmica de las ondas gravitacionales", ha dicho Sean Jones, director adjunto de la Dirección de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Fundación Nacional de la Ciencia, organización que ha financiado este experimento denominado Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav).
El descubrimiento podría ayudar a los científicos a reescribir la historia del universo. De esta manera podría encontrarse las respuestas a lo que sucedió después del Big Bang.
Los agujeros negros supermasivos, así como sus ondas, pueden revelar cómo nació el universo
Los agujeros negros son lugares donde se condensa tanta materia en un espacio tan pequeño que ni siquiera la luz puede escapar a su gravedad. Se forman cuando estrellas masivas, de hasta 100 veces la masa del Sol, mueren y colapsan.
Algunos, sin embargo, son inexplicablemente gigantes. Los agujeros negros supermasivos tienen millones o miles de millones de veces la masa del Sol.
Event Horizon Telescope Collaboration/Maunakea Observatories via AP
"¿Cómo llegan a ser tan grandes los agujeros negros? Tiene mucho que ver con la comprensión de las estructuras del universo, la evolución de las galaxias y toda la historia posterior al Big Bang, desde el principio hasta ahora", ha explicado Manuela Campanelli, astrofísica del Instituto de Tecnología de Rochester, a Business Insider.
Ningún otro objeto del universo tiene una gama tan amplia de tamaños como los agujeros negros (ni tanto potencial para revelar cómo se formó el universo tras el Big Bang).
El telescopio espacial James Webb de la NASA ha revelado recientemente lo poco que sabemos sobre lo que ocurrió después del Big Bang, cuando descubrió galaxias de hasta 700 millones de años, en la infancia del universo, que eran mucho más masivas de lo que los científicos creían posible.
Se cree que en el centro de cada galaxia hay agujeros negros supermasivos. Según la teoría de los científicos, a medida que las galaxias se han ido fusionando para crecer, sus agujeros negros supermasivos también se han fusionado y han crecido.
NASA, ESA, the Hubble Heritage Team STScI/AURA-ESA/Hubble Collaboration, and K. Noll STScI
Por tanto, al estudiar las reverberaciones que producen estas colisiones supermasivas en el fondo de ondas gravitacionales, incluidas las ondas que emanan de esa época más temprana, los científicos pueden asomarse a la caja negra de esos primeros cientos de millones de años.
"El santo grial de este campo, a largo plazo, es explorar el nacimiento del universo y extraer esa información que transportan las ondas gravitacionales", ha declarado Kip Thorne, físico que ha participado en la sesión informativa.
NASA Goddard
Thorne ganó el Premio Nobel en 2017 por sus contribuciones a la primera detección de ondas gravitacionales. Ese proyecto construyó el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO), que detectó por primera vez en 2015 ondas gravitacionales procedentes de colisiones de agujeros negros más pequeños, de solo unas pocas veces la masa del sol.
Pero LIGO no era lo suficientemente sensible como para captar las ondas de baja frecuencia de las lejanas fusiones de agujeros negros supermasivos: el fondo de ondas gravitacionales. Ahí es donde entra NANOGrav.
Cómo los científicos utilizaron estrellas giratorias muertas para convertir la Vía Láctea en un detector de ondas gravitacionales
Los investigadores de NANOGrav han imitado a LIGO a escala galáctica para diseñar un detector suficientemente sensible al fondo de ondas gravitacionales. El instrumento LIGO utiliza dos detectores en forma de L situados en Luisiana y Washington, que funcionan disparando un haz láser y dividiéndolo en dos.
Estos haces recorren los dos brazos del detector de 3,5 kilómetros de longitud. Los haces rebotan en los espejos situados en los extremos de los brazos y vuelven a encontrarse cerca del divisor de haces, donde deberían llegar al mismo tiempo y anularse mutuamente.
Pero cuando llega una onda gravitatoria, deforma el espacio-tiempo, haciendo que un tubo sea ligeramente más largo y el otro más corto durante un breve instante. Como resultado, los dos haces regresan al divisor en momentos diferentes, formando destellos de luz.
En lugar de espejos, NANOGrav utiliza púlsares de milisegundos: estrellas muertas extremadamente densas que giran rápidamente, enviando una ráfaga de luz hacia la Tierra cada milisegundo. La precisión de su cronometraje rivaliza con la de un reloj atómico, por lo que estos objetos celestes son ideales para detectar cambios en el tejido del espacio-tiempo.
Al igual que los investigadores de LIGO detectan las ondas gravitacionales midiendo los cambios en los tiempos de llegada de los haces de luz, los de NANOGrav lo hacen midiendo las variaciones en los tiempos de llegada de la luz de los púlsares de toda la galaxia.
NANOGrav/T.Klein
A medida que las ondas gravitatorias se desplazan por el cosmos, comprimen o estiran la distancia que recorre esta luz para llegar a la Tierra, cambiando su tiempo de llegada en tan sólo unos cientos de nanosegundos. La luz de algunos púlsares llega un poco antes de lo que cabría esperar, mientras que la de otros llega un poco más tarde.
"Se trata de un pirateo a escala galáctica", ha afirmado Stephen Taylor, presidente de la colaboración NANOGrav, en la sesión informativa. Los investigadores han publicado sus conclusiones, extraídas de 15 años de datos sacados a partir de 68 púlsares, en una serie de artículos para The Astrophysical Journal Letters.
Un día los astrónomos podrán observar la fusión de agujeros negros supermasivos
Mientras NANOGrav sigue escuchando el fondo de ondas gravitacionales, los científicos podrían ser capaces de identificar notas individuales en la sinfonía de ondas y rastrearlas hasta un par concreto de agujeros negros supermasivos.
Pronto, los científicos serán capaces de localizar y observar una colisión supermasiva en luz visible, rayos X y otras formas de radiación electromagnética.
Campanelli se está preparando para ello. Su laboratorio elabora modelos informáticos de agujeros negros supermasivos en fusión para predecir cómo se comportan y qué señales envían al espacio. A continuación se muestra una de las simulaciones de sus estudiantes de doctorado.
Lorenzo Ennoggi (Rochester Institute of Technology)
Otros astrónomos pueden utilizar esas simulaciones para detectar la realidad en el universo. También telescopios de Europa, India, Australia y China han obtenido resultados similares en sus observaciones de púlsares.
Así, observando cómo se producen estas fusiones, los científicos pueden empezar a reconstruir las historias de los objetos más incomprensibles del universo y cómo se formaron las galaxias después del Big Bang.
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