Los astrónomos usan estrellas muertas para medir las ondas gravitacionales producidas por los antiguos agujeros negros

Un equipo internacional de astrónomos ha detectado un débil señal de ondas gravitacionales que reverberan a través del universo. Usando estrellas muertas como una red gigante de detectores de ondas gravitacionalesla colaboración—llamada NANOGrav— fue capaz de medir un zumbido de baja frecuencia de un coro de ondas de espacio-tiempo.

soy un astrónomo que estudia y ha escrito sobre cosmología, agujeros negros y exoplanetas. he investigado el evolución de los agujeros negros supermasivos utilizando el telescopio espacial Hubble.

Aunque los miembros del equipo detrás de este nuevo descubrimiento aún no están seguros, sospechan fuertemente que el zumbido de fondo de las ondas gravitacionales que midieron fue causado por innumerables eventos antiguos de fusión de agujeros negros supermasivos.

Usando estrellas muertas para la cosmología

Ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo causadas por objetos masivos que se aceleran. Albert Einstein predijo su existencia en su teoría general de la relatividad, en la que planteó la hipótesis de que cuando una onda gravitacional atraviesa el espacio, hace que el espacio se encoja y luego se expanda periódicamente.

Los investigadores detectaron por primera vez evidencia directa de ondas gravitacionales en 2015, cuando el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser, conocido como LIGO, recogió una señal de un par de agujeros negros fusionados que había viajado 1.300 millones de años luz para llegar a la Tierra.

La colaboración NANOGrav también está tratando de detectar ondas en el espacio-tiempo, pero a escala interestelar. El equipo utilizó púlsares, estrellas muertas que giran rápidamente y emiten un haz de emisiones de radio. Los púlsares son funcionalmente similares a un faro: a medida que giran, sus rayos pueden barrer la Tierra en intervalos regulares.

El equipo de NANOGrav utilizó púlsares que girar increíblemente rápido—hasta 1.000 veces por segundo— y estos pulsos pueden cronometrarse como el tictac de un reloj cósmico extremadamente preciso. A medida que las ondas gravitacionales pasan por un púlsar a la velocidad de la luz, las ondas se expandirán y contraerán muy levemente la distancia entre el púlsar y la Tierra, cambiando muy levemente el tiempo entre los tics.

Los púlsares son relojes tan precisos que es posible medir su tictac con una precisión de 100 nanosegundos. Eso permite a los astrónomos calcular la distancia entre un púlsar y la Tierra con precisión. 100 pies (30 metros). Las ondas gravitacionales cambian la distancia entre estos púlsares y la Tierra en decenas de millas, lo que hace que los púlsares sean lo suficientemente sensibles como para detectar este efecto.

Encontrar un zumbido dentro de la cacofonía

Lo primero que tuvo que hacer el equipo de NANOGrav fue controlar el ruido en su detector de ondas gravitacionales cósmicas. Esto incluía ruido en los receptores de radio que usaba y astrofísica sutil que afecta el comportamiento de los púlsares. Incluso teniendo en cuenta estos efectos, el enfoque del equipo no fue lo suficientemente sensible para detectar ondas gravitacionales de binarias de agujeros negros supermasivos individuales. Sin embargo, tenía suficiente sensibilidad para detectar la suma de todas las fusiones masivas de agujeros negros que han ocurrido en cualquier parte del universo desde el Big Bang, hasta un millón de señales superpuestas.

En una analogía musical, es como estar de pie en un centro de la ciudad ocupado y escuchar el débil sonido de una sinfonía en algún lugar en la distancia. No puedes elegir un solo instrumento por el ruido de los autos y la gente que te rodea, pero puedes escuchar el zumbido de cien instrumentos. El equipo tuvo que descifrar la firma de este onda gravitacional «fondo» de otras señales competidoras.

El equipo pudo detectar esta sinfonía midiendo una red de 67 púlsares diferentes durante 15 años. Si alguna interrupción en el tictac de un púlsar se debiera a ondas gravitacionales del universo distante, todos los púlsares que el equipo estaba observando se verían afectados de manera similar. El 28 de junio de 2023, el equipo publicó cuatro papeles describiendo su proyecto y la evidencia que encontró del fondo de ondas gravitacionales.

El zumbido que encontró la colaboración NANOGrav se produce a partir de la fusión de agujeros negros que son miles de millones de veces más masivos que el sol. Estos agujeros negros giran uno alrededor del otro muy lentamente y producen ondas gravitacionales con frecuencias de una mil millonésima de hercio. Eso significa que las ondas del espacio-tiempo tienen una oscilación cada pocas décadas. Esta lenta oscilación de la onda es la razón por la que el equipo necesitaba confiar en el cronometraje increíblemente preciso de los púlsares.

Estas ondas gravitacionales son diferentes de las ondas que LIGO puede detectar. Las señales de LIGO se producen cuando dos agujeros negros 10 a 100 veces la masa del sol fusionarse en un objeto que gira rápidamente, creando ondas gravitacionales que oscilan cientos de veces por segundo.

Si piensa en los agujeros negros como un diapasón, cuanto más pequeño sea el evento, más rápido vibrará el diapasón y más alto será el tono. LIGO detecta ondas gravitacionales que «suenan» en el rango audible. Las fusiones de agujeros negros que el equipo de NANOGrav ha encontrado «anillan» con una frecuencia miles de millones de veces demasiado baja para escuchar.

Agujeros negros gigantes en el universo primitivo

Los astrónomos han estado interesados ​​durante mucho tiempo en estudiar cómo surgieron las estrellas y las galaxias después del Big Bang. Este nuevo hallazgo del equipo de NANOGrav es como agregar otro color, las ondas gravitacionales, a la imagen del universo primitivo que recién comienza a emerger, en gran parte gracias al telescopio espacial James Webb.

Un objetivo científico importante de la Telescopio espacial James Webb es ayudar a los investigadores a estudiar cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias después del Big Bang. Para hacer esto, James Webb fue diseñado para detectar la luz tenue de estrellas y galaxias increíblemente distantes. Cuanto más lejos está un objeto, más tarda la luz en llegar a la Tierra, por lo que James Webb es efectivamente una máquina del tiempo que puede mirar hacia atrás durante 13.500 millones de años para ver la luz de la Tierra. primeras estrellas y galaxias En el universo.

Ha tenido mucho éxito en la búsqueda, habiendo encontrado cientos de galaxias que inundó el universo de luz en los primeros 700 millones de años después del big bang. El telescopio también ha detectado la agujero negro mas antiguo en el universo, ubicado en el centro de una galaxia que se formó apenas 500 millones de años después del Big Bang.

Estos hallazgos desafían las teorías existentes sobre la evolución del universo.

Se necesita mucho tiempo para crecer una galaxia masiva. Los astrónomos saben que los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de cada galaxia y tienen una masa proporcional a sus galaxias anfitrionas. Así que estas antiguas galaxias casi con certeza tienen el agujero negro correspondientemente masivo en sus centros.

El problema es que los objetos que James Webb ha estado encontrando son mucho más grandes de lo que la teoría actual dice que deberían ser.

Estos nuevos resultados del equipo NANOGrav surgieron de la primera oportunidad que tuvieron los astrónomos de escuchar las ondas gravitacionales del universo antiguo. Los hallazgos, aunque tentadores, no son lo suficientemente fuertes como para reclamar un descubrimiento definitivo. Es probable que eso cambie, ya que el equipo ha ampliado su red de púlsares. para incluir 115 púlsares y debería obtener resultados de esta próxima encuesta alrededor de 2025. Como James Webb y otras investigaciones desafían las teorías existentes sobre cómo evolucionaron las galaxias, la capacidad de estudiar la era posterior al Big Bang utilizando ondas gravitacionales podría ser una herramienta invaluable.

Este artículo se vuelve a publicar de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.