Los astrónomos han encontrado un zumbido extra bajo retumbando a través del universo.

El descubrimiento, anunciado hoy, muestra que las ondas extragrandes en el espacio-tiempo aplastan y cambian constantemente la forma del espacio. Estas ondas gravitacionales son primas de los ecos de las colisiones de los agujeros negros recogidos por primera vez por el experimento del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) en 2015. Pero mientras que las ondas de LIGO pueden vibrar unos cientos de veces por segundo, pueden pasar años o décadas antes de que se produzcan. una sola de estas ondas gravitatorias pasar a la velocidad de la luz.

El hallazgo ha abierto una ventana completamente nueva en el universo, que promete revelar fenómenos previamente ocultos, como el torbellino cósmico de agujeros negros que tienen la masa de miles de millones de soles, o posiblemente espectros celestiales aún más exóticos (y aún hipotéticos).

“Es hermoso”, dijo Chiara Caprini, física teórica de la Universidad de Ginebra y del CERN en Suiza, que no participó directamente en el trabajo. “Se ha abierto una nueva era en la observación del universo”.

Los resultados provienen de estudios que se remontan a más de una década por parte de cuatro equipos con sede en EE. UU., Europa, Australia y China. Hoy, en forma coordinada lanzamiento de datos, los equipos presentan evidencia de un "zumbido" de fondo de ondas gravitacionales que se detectaron al rastrear cambios en los latidos imposiblemente regulares de objetos llamados púlsares.

A medida que las ondas gravitacionales de longitud de onda larga atraviesan nuestro vecindario cósmico, distorsionan el espacio-tiempo que nos rodea, lo que cambia el tiempo de llegada de los pulsos de un púlsar. Los investigadores tuvieron que mapear las correlaciones de estos tiempos de llegada en docenas de púlsares diferentes durante décadas para captar la señal. “Tenía mariposas cuando vi esto por primera vez”, dijo Stephen Taylor, astrofísico de la Universidad de Vanderbilt y presidente del equipo conocido como el Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales, o NANOGrav. “Estoy tan emocionada de que finalmente podamos hablar de eso”.

Lo más probable es que las ondas gravitacionales provengan de pares de agujeros negros supermasivos que giran en espiral uno alrededor del otro dentro de galaxias en fusión. Pero podríamos estar viendo algo completamente diferente, tal vez algo exótico, como rupturas en el espacio-tiempo como resultado de bucles de energía llamados cuerdas cósmicas.

“Encontrar por primera vez la sugerencia de ondas gravitacionales de fondo es fascinante”, dijo Juan García-Bellido, cosmólogo teórico de la Universidad Autónoma de Madrid que no participó en el trabajo. "Es realmente una investigación ganadora del Premio Nobel".

Un truco del tamaño de una galaxia

Hay dos maneras de comenzar la historia de este descubrimiento. El primero, como siempre, es con Albert Einstein. Su teoría general de la relatividad en 1915 sugirió que el universo es un océano de espacio-tiempo en el que se asientan objetos como agujeros negros y estrellas. Los movimientos de estos objetos enviarían ondas a través de este océano de espacio-tiempo: ondas gravitacionales.

El otro lugar para comenzar la historia es en 1967, con una estudiante graduada de Lurgan, Irlanda del Norte, llamada Jocelyn Bell. Utilizando un radiotelescopio que ayudó a construir cerca de Cambridge, Reino Unido, vio una señal inusual en el espacio que se repetía cada segundo. Ella y otros astrónomos luego clasificaron estas señales como una nueva clase de objeto celeste conocida como púlsares, los núcleos de estrellas muertas que giran rápidamente. Hoy en día, se sabe que algunos giran extremadamente rápido, emitiendo pulsos regulares de ondas de radio cientos o incluso miles de veces por segundo.

La regularidad similar a un cronómetro de los púlsares los convierte en valiosos cronometradores cósmicos. En 1983, los astrónomos estadounidenses Ron Hellings y George Downs sugirieron una forma novedosa de utilizarlos: si las ondas gravitacionales estrujaran y estiraran el espacio-tiempo, ese movimiento sería cambiar la hora de llegada de los destellos de radio de los púlsares.

La clave es mirar muchos pares de púlsares y comparar sus retrasos de tiempo. "Si están juntos en el cielo, ambos llegarán temprano o tarde", dijo Sarah Vigeland, astrofísica de la Universidad de Wisconsin, Milwaukee y presidenta del Grupo de Trabajo de Detección de Ondas Gravitacionales de NANOGrav. “A medida que los separas, se desincronizan, pero de una manera que puedes predecir”.

Para captar estas fluctuaciones, las matrices de sincronización de púlsares, como NANOGrav, utilizan múltiples radiotelescopios para observar muchos púlsares durante muchos años. Estos proyectos son primos cósmicos de LIGO y otros observatorios terrestres que detectar ondas gravitacionales buscando pequeños cambios en las longitudes relativas de sus dos brazos.

Si bien los brazos de LIGO tienen cuatro kilómetros de largo cada uno, los conjuntos de sincronización de púlsares utilizan efectivamente la distancia desde la Tierra a cada púlsar como un brazo mucho más grande: cientos o miles de años luz de longitud. “Lo que hemos hecho esencialmente es piratear toda la galaxia para hacer una antena gigante de ondas gravitacionales”, dijo Taylor.

Esta distancia más larga hace que los conjuntos de sincronización de púlsares sean sensibles a una variedad diferente de ondas gravitacionales. Mientras que LIGO puede detectar ondas gravitacionales de alta frecuencia, que pueden ocurrir cuando los agujeros negros del tamaño de una estrella se orbitan entre sí decenas o cientos de veces por segundo antes de fusionarse, los conjuntos de sincronización de púlsares son sensibles a los procesos que ocurren a lo largo de años o incluso décadas. Esa es una de las razones por las que los conjuntos de sincronización de púlsares necesitan muchos años de datos: si una sola onda tarda una década en pasar, no puede detectarla en solo unos meses.

De los cuatro grupos que publican datos hoy, NANOGrav es el que más confía en su resultado. El proyecto se fundó en 2007 y ha utilizado en gran medida el Telescopio Green Bank en Virginia Occidental y el radiotelescopio Arecibo en Puerto Rico (que colapsó a finales de 2020, cerca del final de los 15 años de recopilación de datos de NANOGrav). “Todavía estamos de luto por la pérdida de Arecibo”, dijo Taylor.

También se establecieron proyectos separados de matriz de sincronización de púlsares en diferentes partes del mundo. Los cuatro equipos, que juntos forman International Pulsar Timing Array, coordinaron los anuncios de hoy, pero aún no han realizado un análisis de datos combinado. “Es complejo”, dijo Andrew Zic, astrónomo de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth en Australia y parte del equipo de Parkes Pulsar Timing Array de ese país. “Estamos listos para avanzar hacia ser algo más unificado”.

En 2020, NANOGrav publicó datos preliminares de 12.5 años de observaciones. Aquellos mostraron un pista tentativa de ondas gravitacionales afectando los pulsos de unos 45 púlsares.

Ahora han agregado algunos años más de datos, junto con datos de casi dos docenas de fuentes más, y ha surgido un patrón más consistente. “Realmente nos llama la atención”, dijo Vigeland.

“Estamos observando desviaciones en el tiempo de un par de cientos de nanosegundos”, dijo Scott Ransom, astrónomo del Observatorio Nacional de Radioastronomía y miembro fundador de NANOGrav. Detectaron un patrón particular en los datos, llamado la curva de Hellings-Downs, que les da confianza de que lo que están viendo es el fondo de ondas gravitacionales. "Esa es la pistola humeante de las ondas gravitacionales".

El equipo europeo, que observó 25 púlsares durante 25 años con seis telescopios, ve indicios similares de retrasos en el tiempo, pero está menos seguro de sus resultados. “Los estadounidenses tienen mucha confianza”, dijo Michael Keith, astrofísico del Centro de Astrofísica Jodrell Bank y parte del equipo europeo. El equipo australiano informa observaciones de 32 púlsares durante 18 años, mientras que el equipo chino ha observado 57 púlsares durante poco más de tres años.

Danzas supermasivas

Entonces, ¿qué está causando estas olas? Las fuentes más probables son agujeros negros supermasivos — gigantes de millones a miles de millones de veces la masa de nuestro sol. Estos se encuentran en el centro de galaxias masivas como nuestra propia Vía Láctea. Cuando dos galaxias chocan, como sucede a veces, los agujeros negros supermasivos en sus centros también pueden comenzar a orbitar entre sí, girando a un ritmo cósmicamente pesado y perturbando el espacio-tiempo mientras lo hacen.

“Si tienes una distribución giratoria de masa que no es simétrica”, incluso algo pequeño, como un bolígrafo giratorio, “salen ondas gravitacionales”, dijo Keith. En escalas lo suficientemente grandes, con agujeros negros supermasivos, el retumbar bajo y constante de estas ondas se vuelve detectable a medida que penetran en el espacio.

NANOGrav aún no puede distinguir fuentes de ondas gravitacionales individuales. En cambio, el equipo encontró evidencia del zumbido de fondo de todas las ondas gravitacionales de baja frecuencia. Es como una boya que rebota hacia arriba y hacia abajo en un puerto concurrido: no puede distinguir la estela de un solo barco, pero su movimiento puede revelar que hay algunos objetos grandes que atraviesan el agua.

Sin embargo, los agujeros negros supermasivos no son la única explicación posible para el zumbido de fondo. Otra posibilidad son las cuerdas cósmicas. Predichos por primera vez en la década de 1970, estos serían esencialmente grietas en el espacio-tiempo causada por la expansión del universo. Las grietas emitirían ondas gravitacionales mientras giraban en bucles.

“La idea de las cuerdas cósmicas es que tienes alguna extensión del modelo estándar [de la física de partículas] en el que, además de partículas puntuales, puedes obtener cuerdas de energía que se extienden por todo el universo”, dijo John Ellis, físico teórico de la King's College London y CERN, quien es un defensor de las cuerdas cósmicas. “Esas cuerdas de energía se mueven y pueden chocar, generando bucles de cuerda que eventualmente colapsan al emitir ondas gravitacionales”.

Si bien la idea es algo extravagante, las observaciones realizadas hasta ahora por NANOGrav y los otros equipos son consistentes con lo que esperaríamos ver de las cuerdas cósmicas. “Estarían moviéndose constantemente, y de vez en cuando crujen como un látigo y envían ráfagas de ondas gravitacionales”, dijo Patrick Brady, astrofísico de la Universidad de Wisconsin, Milwaukee. Si los conjuntos de sincronización de púlsares no ven fuentes individuales que comienzan a emerger de sus próximos datos, eso podría apuntar hacia esta física exótica más allá del Modelo Estándar. “Las cuerdas cósmicas te darán una señal mucho más suave”, dijo Ellis.

Pero aunque no se pueden descartar las cuerdas y otros fenómenos exóticos, por ahora los agujeros negros supermasivos son la explicación preferida. “Desde el punto de vista de la navaja de Occam, sabemos que las galaxias se fusionan y casi todas las galaxias tienen agujeros negros supermasivos”, dijo Ransom. “Así que creemos que lo más probable es que la señal que estamos viendo provenga de agujeros negros supermasivos. Pero podríamos estar equivocados”.

Descubrir una población de pares de agujeros negros supermasivos ayudaría a responder preguntas abiertas en astrofísica. Por ejemplo, ¿qué sucede cuando dos agujeros negros supermasivos en órbita se acercan relativamente? Había razones para pensar que, en lugar de fusionarse, como hacen los agujeros negros más pequeños, los agujeros negros supermasivos simplemente giran uno alrededor del otro para siempre. “Esto se llama el problema del último parsec”, dijo Caprini; un parsec es una unidad de distancia que mide 3.26 años luz de diámetro. “Es un problema sin resolver”. Sin embargo, si los conjuntos de sincronización de púlsares están viendo ondas gravitacionales de estos momentos, sería "una demostración de que dos agujeros negros supermasivos se acercan lo suficiente y se fusionan", en lugar de permanecer en órbitas distantes, dijo Caprini.

Solo la existencia de tal población tiene amplias implicaciones para nuestra comprensión de la evolución galáctica en el universo. “Significaría que en el centro de algunas galaxias hay agujeros negros masivos que no están solos”, dijo Caprini. “Podemos investigar, a través de la historia del universo, cómo colisionan las galaxias y la tasa de colisiones”.

Tal trabajo requeriría el descubrimiento de pares de agujeros negros supermasivos individuales, por lo que aún no es factible. Pero a medida que los investigadores combinen los conjuntos de datos de los diferentes equipos y tomen más observaciones en los próximos años, las fuentes individuales pueden comenzar a surgir, lo que quizás permita a los astrónomos identificar agujeros negros supermasivos binarios en el espacio y el tiempo.

“Fuentes individuales brillantes comenzarán a hurgar por encima de este zumbido de fondo”, dijo Maura McLaughlin, astrofísica de la Universidad de West Virginia y uno de los miembros fundadores de NANOGrav. “Podremos decir, en esa dirección, que hay un binario de agujero negro supermasivo con [cierta] masa. Aprenderemos mucho sobre las fusiones de galaxias”.

Lo que está claro es que estos proyectos han dado a los astrónomos una herramienta completamente nueva con la que estudiar el cosmos. El surgimiento de la astronomía de ondas gravitacionales “es como cuando Galileo enfocó por primera vez su telescopio hacia el cielo”, dijo Brady. Ahora sabemos que un fondo de ondas en el espacio-tiempo impregna el universo. Un océano de ondas gravitacionales espera.