Detectadas por primera vez ondas gravitacionales de miles de millones de kilómetros de longitud

Se han descubierto por primera vez ondulaciones gigantes en el tejido del espacio y el tiempo a escala de años luz, según una nueva investigación anunciada por astrónomos. Las ondas gravitacionales a esta escala son las que la comunidad científica espera de la fusión de agujeros negros supermasivos, cada uno de los cuales tiene miles de millones de veces la masa del Sol.

Los científicos del Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav) han detectado estas ondas estudiando las variaciones de tiempo en los estallidos de radio de los púlsares, unos restos estelares en movimiento. El descubrimiento, realizado con un detector natural que abarca miles de años luz, promete arrojar luz sobre cómo los agujeros negros supermasivos contribuyeron a dar forma al universo. Las futuras investigaciones sobre estas nuevas deformaciones del espacio-tiempo también podrían revelar pistas sobre los primeros momentos tras el big bang y ayudar a resolver misterios como la naturaleza de la materia oscura, que los científicos creen que constituye aproximadamente cinco sextos de toda la materia del cosmos.

Cuando cualquier objeto con masa se acelera, genera distorsiones conocidas como ondas gravitacionales que salen despedidas a la velocidad de la luz, estirando y comprimiendo el espacio-tiempo a su paso. Predichas por Albert Einstein en 1916, los científicos descubrieron la primer prueba directa de las ondas gravitacioneles en 2015 con el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO), que detecta las distorsiones microscópicas que crean las ondas al atravesar la materia. Estas ondulaciones son especialmente útiles para obtener información sobre fuentes que no pueden verse directamente con la luz, como los agujeros negros.

Al igual que la luz se presenta en distintas longitudes de onda y frecuencias (desde los rayos gamma de corta longitud de onda y alta frecuencia hasta las ondas de radio de larga longitud de onda y baja frecuencia), las ondas gravitacionales también lo hacen. LIGO detecta ondas gravitacionales de alta frecuencia con longitudes de onda de unos 2900 kilómetros. "Ve cosas que cambian en escalas de tiempo cortas", explica Sarah Vigeland, física de la Universidad de Wisconsin en Estados Unidos y miembro de NANOGrav.

Ahora, los científicos han detectado por primera vez ondas gravitacionales de baja frecuencia con longitudes de onda tan largas que la luz tardaría años o décadas en viajar de una cresta a otra. Los científicos detallan sus hallazgos en cinco estudios publicados en la revista Astrophysical Journal Letters.

"Estamos empezando a explorar una parte completamente nueva del universo de las ondas gravitacionales", afirma Vigeland. "Vemos cosas que cambian en escalas de tiempo de meses a años".

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Un detector galáctico

Para detectar estas ondulaciones gigantes, los científicos necesitaban un conjunto de sensores mucho más grande que la Tierra. Durante los últimos 15 años, NANOGrav ha analizado estrellas muertas de toda la Vía Láctea para crear un detector de ondas gravitacionales a escala galáctica.

Los investigadores se centraron en los llamados púlsares de milisegundos, que se crean cuando las estrellas masivas mueren en supernovas explosivas, dejando tras de sí sus restos girando rápidamente. Estos densos restos estelares emiten haces gemelos de ondas de radio desde sus polos magnéticos, que parpadean como faros. Cada vez que estos haces pasan junto a la Tierra, los radiotelescopios detectan un pulso, con cientos de ellos que llegan cada segundo de forma extremadamente precisa, como los tics de un reloj galáctico.

"Hemos hackeado la galaxia para convertirla en una antena gigante de ondas gravitacionales", afirma Stephen Taylor, astrofísico de la Universidad Vanderbilt de Estados Unidos y presidente de la colaboración NANOGrav.

Los científicos observaron 68 de estos púlsares a unos pocos miles de años-luz de la Tierra. Dado que las ondas gravitatorias hacen que el espaciotiempo se contraiga y se expanda, alteran los intervalos de tiempo entre los pulsos de radio, retrasando algunos y acelerando otros de una manera única y predecible. Estas variaciones también se observaron en pares de púlsares siguiendo un patrón que dependía de la distancia entre cada miembro de un par, lo que apoyaba la idea de que una onda gravitatoria estaba influyendo en ambos objetos y que NANOGrav no estaba detectando simplemente fluctuaciones aleatorias.

Estos desplazamientos en el tiempo representan una flexión del espacio entre la Tierra y los púlsares equivalente a la longitud de un campo de fútbol. En comparación, las distorsiones espaciales que detecta LIGO son más pequeñas que el núcleo de un átomo, y las ondas gravitacionales de LIGO transportan aproximadamente un millón de veces menos energía.

"Las ondas gravitacionales no proceden de los púlsares", aclara Taylor. "Utilizamos púlsares como parte de nuestro detector, por lo que a través del cronometraje de esos púlsares podemos buscar deformaciones del espacio-tiempo a escala galáctica".

Los púlsares producen fuentes de radio muy débiles, por lo que para llevar a cabo esta búsqueda, los investigadores necesitaron pasar miles de horas al año observando con algunos de los radiotelescopios más grandes del mundo: el Observatorio de Arecibo en Puerto Rico, el Telescopio de Green Bank y el Very Large Array en Estados Unidos. Este "conjunto de cronometraje de púlsares" pudo detectar con una precisión de una millonésima de segundo las horas de llegada de los pulsos de radio.

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Sacudir el tejido del espacio-tiempo

Las fuentes más probables de las ondas gravitacionales recién descubiertas son pares de agujeros negros supermasivos con una masa entre 100 millones y 10 000 millones de veces superior a la del Sol. En cambio, las ondas gravitacionales detectadas por LIGO proceden probablemente de colisiones entre agujeros negros más pequeños o estrellas de neutrones con masas no superiores a unas docenas de veces la del Sol.

"Utilizar un detector del tamaño de una galaxia hecho de púlsares que giran rápidamente para medir ondas gravitacionales de años de duración procedentes probablemente de agujeros negros binarios supermasivos suena a ciencia ficción", afirma Scott Ransom, astrónomo del Observatorio Radioastronómico Nacional de Charlottesville (Virginia, Estados Unidos) y miembro de NANOGrav.

Los astrónomos creen que los agujeros negros supermasivos residen en el corazón de las galaxias más grandes del universo. Cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros centrales acaban hundiéndose en el núcleo de la nueva galaxia combinada, formando un sistema binario que produce ondas gravitacionales a medida que estos monstruos orbitan lentamente uno alrededor del otro.

Los físicos teóricos han debatido durante mucho tiempo si estos monstruosos agujeros negros podrían encontrarse tras la violencia de las fusiones galácticas. No se sabía con certeza si esas parejas podrían llegar a acercarse lo suficiente como para generar ondas gravitacionales detectables, una cuestión conocida como el "problema del parsec final".

Los nuevos descubrimientos demuestran que sí existen binarias de agujeros negros extraordinariamente masivas y cercanas: una vez que estos dúos se acercan lo suficiente como para que los sistemas de cronometraje de púlsares puedan detectarlos, quedan atrapados en una espiral de la muerte, condenados a colisionar en unos pocos millones de años.

Sorprendentemente, la intensidad de la señal de ondas gravitacionales fue aproximadamente el doble de lo que esperaban los investigadores, lo que sugiere que los agujeros negros supermasivos pueden ser más comunes o más masivos de lo que se pensaba. Los resultados indican que los agujeros negros supermasivos binarios deben contarse por cientos de miles en el universo, quizá incluso por millones. Estos datos "deberían ayudarnos a comprender cómo y con qué frecuencia se fusionan y crecen las galaxias más grandes del universo", afirma Ransom.

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Anomalías cósmicas

Investigaciones anteriores sugieren que podrían existir otras fuentes más extrañas de ondas gravitacionales de baja frecuencia. Por ejemplo, un segundo después del big bang, las fluctuaciones aleatorias de densidad en el universo caliente y en rápida expansión podrían haber concentrado bolsas de materia lo suficiente como para que colapsaran y se convirtieran en agujeros negros. Según Antonio Riotto, cosmólogo de la Universidad de Ginebra (Suiza) que no participó en el estudio NANOGrav, estos agujeros negros primigenios increíblemente masivos y en gran medida invisibles "podrían constituir la materia oscura del universo", en lugar de alguna partícula aún desconocida.

Otras posibles fuentes son las cuerdas cósmicas, filamentos extraordinariamente densos y más delgados que el núcleo de un átomo que, según algunos modelos teóricos, se crearon en el universo primitivo cuando el cosmos se enfrió rápidamente tras el big bang, de forma parecida a las grietas que pueden formarse cuando el agua se congela y se convierte en hielo. Al vibrar, estas cuerdas cósmicas podrían emitir ondas gravitacionales.

Las ondas gravitacionales también pueden haberse producido durante un titánico estirón de crecimiento en los primeros momentos tras el big bang, conocido como inflación, y podrían arrojar luz sobre cómo se formó todo el cosmos. Aunque las binarias de agujeros negros supermasivos parecen ser la explicación más plausible de lo que ha detectado NANOGrav, "sería muy interesante descubrir que la señal se originó en el universo primitivo", afirma Gabriele Franciolini, físico teórico de la Universidad Sapienza de Roma (Italia), que no ha participado en el nuevo trabajo.

Otros sistemas de cronometraje de púlsares, como los de Australia, China, Europa y la India, también han detectado indicios de ondas gravitacionales de baja frecuencia. "Las futuras mediciones de los pulsares aumentarán la precisión con la que observamos los detalles y nos dirán cuál es la fuente más probable de estas ondas gravitacionales", afirma Ville Vaskonen, cosmólogo de la Universidad de Padua (Italia), que no participó en este estudio.

En 2020, una vez recogidos los datos del sondeo NANOGrav, el Observatorio de Arecibo se derrumbó catastróficamente. Los futuros resultados de NANOGrav incluirán datos del telescopio CHIME en Canadá, añadido al proyecto en 2019. "Cuanto más tiempo observemos, más sensibilidad obtendremos", afirma Ransom.

A medida que NANOGrav recopile más datos con el tiempo, los investigadores esperan que se vuelva lo suficientemente sensible como para identificar las ondas gravitacionales de binarias de agujeros negros específicas, como si se tratara de elegir notas de instrumentos individuales que tocan en una orquesta, dice Taylor. Esto permitiría a los astrónomos combinar estos hallazgos con los de los observatorios tradicionales para analizar objetivos utilizando tanto la luz como la gravedad.

"Siempre existe la posibilidad de ver algo que ni siquiera sabíamos que existía", afirma Vigeland. "Eso es probablemente lo más emocionante de abrir una nueva ventana al universo de las ondas gravitacionales".