La cosmología, ¿ante una nueva edad de oro?

Posible detección del fondo cósmico que originó las primeras ondas gravitacionales

Contendría los secretos más buscados del universo temprano

Recreación artística del experimento IPTA: en la imagen puede apreciarse una serie de púlsares alrededor de la Tierra incrustados en un fondo de ondas gravitacionales. Las señales de los púlsares, medidas con una red de radiotelescopios globales, se ven afectadas por las ondas gravitacionales y permiten desvelar la presencia del fondo del que proceden.

Recreación artística del experimento IPTA: en la imagen puede apreciarse una serie de púlsares alrededor de la Tierra incrustados en un fondo de ondas gravitacionales. Las señales de los púlsares, medidas con una red de radiotelescopios globales, se ven afectadas por las ondas gravitacionales y permiten desvelar la presencia del fondo del que proceden. / Créditos: C. Knox.

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Los astrónomos creen haber detectado el fondo de ondas gravitacionales del que surgieron las primeras ondulaciones concéntricas que encogen y estiran el espacio-tiempo mientras viajan a la velocidad de la luz. Un hallazgo que puede cambiar la cosmología.

Un equipo internacional de astrónomos cree haber detectado el fondo de ondas gravitacionales donde, seguramente, surgieron estos procesos cósmicos en los primeros instantes del universo.

De confirmarse, este hallazgo puede tener un profundo impacto en la cosmología de los principios del universo y de la física de altas energías, que describe las interacciones de las partículas fundamentales y su conexión con el universo temprano.

El fondo de ondas gravitacionales está formado por muchas señales de ondas gravitacionales superpuestas diferentes, emitidas por la población cósmica de agujeros negros binarios supermasivos.

Esas señales generan un ruido de fondo similar al de muchas voces superpuestas en un abarrotado salón, explican los autores de esta investigación en un comunicado.

Por fin

Los científicos han estado buscando evidencia definitiva de estas señales de ondas gravitacionales durante varias décadas y ahora finalmente creen que la han encontrado.

Las ondas gravitacionales o gravitatorias son ondulaciones concéntricas que encogen y estiran el espacio-tiempo mientras viajan a la velocidad de la luz. Impregnan todo el espacio-tiempo y podrían originarse a partir de fusiones de los agujeros negros más masivos del Universo o de eventos que ocurrieron inmediatamente después del Big Bang.

El hallazgo se ha producido analizando los datos del International Pulsar Timing Array (IPTA), un detector global de ondas gravitacionales a escala galáctica que en 2019 publicó su segunda recopilación de información (DR2).

IPTA detecta ondas gravitacionales a través de una matriz de aproximadamente 30 púlsares a través de sus radiotelescopios asociados: el European Pulsar Timing Array (EPTA), el North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) y el Parkes Pulsar Timing Array (PPTA).

Evidencia clara

DR2 consta de datos de tiempo de precisión de púlsares de 65 milisegundos obtenidos al combinar los conjuntos de datos independientes de los tres pilares del IPTA.

Los púlsares de 65 milisegundos son remanentes estelares que giran cientos de veces por segundo, barriendo haces estrechos de ondas de radio que aparecen como pulsos potencialmente detectables.

Los datos revelan una consistente evidencia de una señal de frecuencia ultra baja detectada en los datos combinados procedentes de muchos de los púlsares. Las características de esta señal común entre púlsares concuerdan ampliamente con las esperadas de un "fondo" de ondas gravitacionales, enfatizan los investigadores.

Y añaden: este resultado fortalece aún más la aparición de señales similares que se han encontrado en los conjuntos de datos individuales, obtenidos por las colaboraciones de sincronización de púlsares desarrolladas en los últimos años.

El año pasado, por ejemplo, una colaboración científica europea detectó una «señal prometedora» que podría revelar la existencia en nuestra galaxia de un fondo de ondas gravitacionales procedentes de agujeros negros masivos binarios.

Conocimientos sin precedentes

El profesor Alberto Vecchio, director del Instituto de Astronomía de Ondas Gravitacionales de la Universidad de Birmingham y miembro de la EPTA, es bastante explícito al respecto:

"La detección de ondas gravitacionales de una población de agujeros negros masivos binarios o de otra fuente cósmica nos brindará conocimientos sin precedentes sobre cómo se forman y crecen las galaxias, o de los procesos cosmológicos que tienen lugar en el universo primigenio. Se necesita un gran esfuerzo internacional de la escala de IPTA para alcanzar este objetivo, y los próximos años podrían traernos una edad de oro para estas exploraciones del universo”, explica Vecchio.

Siyuan Chen, otro de los protagonistas de este hallazgo, matiza: “esta es una señal muy emocionante. Aunque todavía no tenemos evidencia definitiva, es posible que estemos comenzando a detectar un fondo de ondas gravitacionales”.

Otro de los investigadores, Boris Goncharov, advierte sobre las posibles interpretaciones de estas señales: “también estamos investigando qué otra cosa podría ser esta señal. Por ejemplo, tal vez podría deberse al ruido que está presente en los datos de púlsares individuales, que pueden haber sido modelados incorrectamente en nuestros análisis".

Y Maura McLaughlin, miembro también del equipo, añade: "si la señal que estamos viendo actualmente es el primer indicio de un fondo de ondas gravitacionales, entonces, según nuestras simulaciones, es posible que tengamos mediciones más definidas de las correlaciones espaciales necesarias para identificar de manera concluyente el origen de la señal común en un futuro próximo.”

Tareas pendientes

Para identificar el fondo de ondas gravitacionales como el origen de esta señal de frecuencia ultrabaja, el IPTA debe completar su hallazgo detectando correlaciones espaciales entre púlsares. Eso significa que cada par de púlsares debe responder de una forma muy particular a las ondas gravitacionales, dependiendo de su separación en el cielo.

Estas correlaciones de firmas entre pares de púlsares son la "pistola humeante" para una detección de fondo de ondas gravitacionales. Sin ellos, es difícil probar que algún otro proceso no es responsable de la señal, advierten los astrónomos.

IPTA es optimista sobre lo que se puede lograr una vez que estos datos se combinen en el IPTA DR 3. Ya se está trabajando en este nuevo lanzamiento de datos, que como mínimo incluirá conjuntos de datos actualizados de los instrumentos constituyentes de la IPTA.

Se espera que el análisis del conjunto de datos proporcionados por DR3 finalice en los próximos años, por lo que habrá que esperar hasta entonces para comprobar que el descubrimiento anunciado ahora se sostiene con nuevas evidencias.

Referencia

The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic Gravitational Wave Background. J Antoniadis et al. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, stab3418. DOI:https://doi.org/10.1093/mnras/stab3418