Por primera vez se han hallado pruebas fehacientes de la existencia de ondas gravitacionales de frecuencia ultrabaja, probablemente procedentes de pares de agujeros negros supermasivos situados en el centro de galaxias en fusión.
La semana pasada ya se podía leer en Nanograv.org acerca de un “anuncio importante” en el campo de las ondas gravitacionales. En consecuencia, las expectativas eran altas y las especulaciones se sucedieron en los últimos días. Después de todo, ¿qué se habría descubierto? Ahora ya se sabe. Porque un equipo de astrónomos europeos, junto con colegas indios y japoneses (dentro de la llamada Colaboración NANOGrav), ha tropezado con ondas gravitacionales de baja frecuencia procedentes de colosales agujeros negros. Estas ondas gravitacionales se descubrieron utilizando “relojes cósmicos”.
¿Qué son las ondas gravitacionales?
En pocas palabras, las ondas gravitacionales son ondulaciones del espacio-tiempo. La mejor forma de imaginar ese espacio-tiempo es como una sábana bastante tensa. Los planetas y las estrellas se sitúan como bolas sobre esta lámina, haciendo que el espacio-tiempo se curve localmente. Mientras tanto, también hay ondas que viajan a través del espacio-tiempo: las ondas gravitacionales. Estas ondas se crean durante acontecimientos extremos, como la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones.
En el marco de la colaboración NANOGrav, un equipo internacional de científicos buscan un tipo particular de ondas gravitacionales, a saber, las ondas gravitacionales de baja frecuencia (longitudes de onda de unos pocos años luz). Se trata, por tanto, de ondas gravitatorias diferentes de las que ya se han detectado anteriormente con detectores como LIGO y VIRGO (longitudes de onda de unos pocos kilómetros). En concreto, se trata de ondas gravitatorias con frecuencias del orden de los nanohercios. Y en estas frecuencias de nanohercios pueden observarse fuentes y fenómenos únicos.
Relojes cósmicos: detector de hondas gravitacionales
Para detectar ondas gravitacionales de baja frecuencia, el equipo se centra en los púlsares. Se trata de estrellas de neutrones que giran rápidamente y que, al hacerlo, emiten haces de ondas de radio que pueden captarse en la Tierra. Estas transmisiones son similares a la luz de un faro que cruza la playa. Y del mismo modo que la luz de un faro, que cruza la playa siempre a los mismos intervalos, sirve para medir el tiempo, los púlsares son una especie de “reloj cósmico”. Porque las ráfagas de ondas de radio, como las que observamos aquí en la Tierra, también se producen siempre a los mismos intervalos.
“Los púlsares son fantásticos relojes cosmológicos”, explica Emma van der Wateren. “Utilizamos los cambios en la extrema regularidad del ‘tic-tac’ de los relojes para detectar el sutil estiramiento y compresión del espacio-tiempo causados por las ondas gravitacionales”.
A partir de 15 años de datos astronómicos captados por diversos radiotelescopios, el equipo de NANOGrav construyó un enorme “detector” que abarca veinticinco púlsares elegidos específicamente y repartidos por la Vía Láctea. A continuación, compararon las frecuencias de tictac de pares de esos púlsares. En resumen, los investigadores utilizaron las observaciones de pulsos muy regulares de estrellas extinguidas como una especie de detector de ondas gravitacionales del tamaño de nuestra Vía Láctea.
Distorsiones del espacio-tiempo
Las observaciones han dado lugar a un descubrimiento revolucionario. Los investigadores han descubierto variaciones en la “velocidad de tic-tac” de los púlsares. Su análisis demuestra que estas variaciones están causadas por ondas gravitacionales de baja frecuencia que distorsionan el tejido de la realidad física conocido como espacio-tiempo.
En otras palabras, el equipo descubrió distorsiones del espacio-tiempo causadas probablemente por monstruosas ondas gravitatorias que rugen a través de todo lo que existe. ¿Cómo alteran las ondas gravitatorias las frecuencias de tic-tac de los púlsares? He aquí cómo. Al estirarse y comprimirse el espacio entre la Tierra y los púlsares, los impulsos de radio llegan a la Tierra milmillonésimas de segundo antes o después de lo previsto.
Las ondas gravitacionales fueron predichas por primera vez por Albert Einstein en 1916. Pero no fue hasta 2015 cuando se confirmó su existencia. Aunque las ondas gravitacionales captadas fueron causadas por dos agujeros negros distantes, la distorsión espacial resultante detectada por el detector LIGO en aquel momento era más pequeña que el núcleo de un átomo. En comparación, el desplazamiento temporal aparente de los púlsares medido por el equipo de NANOGrav es de unos cientos de miles de millones de segundo y representa una curvatura del espacio-tiempo entre la Tierra y los púlsares de la longitud de un campo de fútbol. Esas distorsiones del espacio-tiempo fueron causadas por ondas gravitatorias tan inmensas que la distancia entre dos picos es de 2 a 10 años luz, es decir, de unos 9 a 90 billones de kilómetros.
Ondas gravitatorias monstruosas: agujeros negros
Se trata de ondas gravitatorias monstruosas que baten todos los récords. “Son, con diferencia, las ondas gravitacionales más potentes que sabemos que existen”, afirma la astrofísica Maura McLaughlin. “Detectar ondas gravitatorias tan gigantescas requiere un detector comparativamente masivo y mucha paciencia”.
Lo que hace que el descubrimiento sea aún más especial es que los científicos han logrado detectar por primera vez ondas gravitacionales de baja frecuencia utilizando púlsares. “La fuente probable de estas ondas son (una colección) pares distantes de agujeros negros supermasivos que orbitan entre sí en órbitas densas”, explica el investigador Stephen Taylor. “Así pues, lo más probable es que las ondas gravitacionales de las que ahora se tiene constancia sean una suma de señales procedentes de un número muy elevado de agujeros negros supermasivos que orbitan entre sí muy lentamente”.
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| Impresión artística de ondas gravitacionales procedentes de un par de agujeros negros en órbita muy próxima (a la izquierda, en la distancia). Las ondas pasan junto a varios púlsares y la Tierra (derecha). Imagen: Keyi “Onyx” Li/U.S. National Science Foundation |
Los investigadores ven los resultados como el comienzo de una nueva exploración del universo. “Estas ondas gravitatorias de frecuencia ultrabaja contienen información sobre los secretos mejor guardados del universo”, afirma la astrónoma Gemma Janssen. “Todavía sabemos poco sobre la población de agujeros negros dobles con masas enormes (de millones a miles de millones de veces la masa del sol), que se forman cuando las galaxias se fusionan”.
Muy extendido
Gracias a la investigación, los científicos han logrado construir un detector capaz de detectar las ondas gravitacionales que impregnan nuestro universo. Los resultados ofrecen, por tanto, nuevos conocimientos sobre cómo evolucionan las galaxias y cómo crecen y se fusionan los agujeros negros supermasivos. La amplia deformación del espacio-tiempo que revelan sus hallazgos implica que las parejas de agujeros negros extremadamente masivos también pueden ser frecuentes en el universo. Tal vez haya cientos de miles o incluso millones de ellos.
Con el tiempo, el equipo de NANOGrav espera poder identificar parejas concretas de agujeros negros supermasivos rastreando las ondas gravitatorias que emiten. Incluso podrían descubrir rastros de ondas gravitacionales del universo más joven. Así que podemos esperar mucho más en esta interesante área de investigación. “Aunque nuestros datos iniciales nos decían que oíamos ‘algo’, ahora sabemos que se trata de la música del universo gravitatorio”, afirma el investigador Xavier Siemens. “Si seguimos escuchando, empezaremos a reconocer instrumentos individuales en esta orquesta cósmica”.