8 de Febrero de 2022
Astronomía

En busca de las ondas gravitacionales de los agujeros supermasivos

Varios equipos que estudian los púlsares de la Vía Láctea podrían estar cerca de detectar las ondulaciones del espaciotiempo creadas por los agujeros negros supermasivos.

Detalle de una simulación de dos agujeros negros supermasivos a punto de fusionarse. [Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA]

Los astrónomos podrían estar a punto de detectar las ondas gravitacionales de agujeros negros supermasivos distantes, millones o incluso miles de millones de veces más grandes que los observados hasta ahora. Los últimos resultados de una colaboración internacional parecen presagiar un descubrimiento, tras dos décadas de esfuerzos para detectar las ondulaciones del espaciotiempo a través de sus efectos en los púlsares, remanentes estelares en rápida rotación que salpican la Vía Láctea.

Los expertos buscan fluctuaciones en las señales de los púlsares que revelen que la Tierra se mece en un mar de ondas gravitacionales. Como las olas caóticas que se forman en el agua, estas ondas podrían deberse al efecto combinado de hasta cientos de parejas de agujeros negros, cada una de ellas situada en el centro de una galaxia distante.

Hasta ahora, la Red Internacional de Cronometraje de Púlsares (IPTA, por sus siglas en inglés) no ha hallado pruebas concluyentes de esas ondas gravitacionales. Pero su último análisis, realizado a partir de los datos combinados de varias colaboraciones con sede en Norteamérica, Europa y Australia, revela una forma de «ruido rojo» con las características que los investigadores esperaban ver. Los resultados se publicaron el 19 de enero en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

«Se trata de un gran hito», asegura Michael Kramer, astrónomo del Instituto Max Planck de Radioastronomía de Bonn y miembro destacado del equipo europeo. Aunque aún no constituye una detección de ondas gravitacionales, es un paso necesario hacia esa meta, añade. Si no hubieran visto ruido rojo a estas alturas, los cosmólogos quizá habrían tenido que reconsiderar sus predicciones sobre la prevalencia de los agujeros negros supermasivos y su papel en la evolución del universo.

Xavier Siemens, radioastrónomo de la Universidad Estatal de Oregón en Corvallis y uno de los líderes del grupo norteamericano, coincide en que el ruido rojo todavía no es una detección, «pero resulta tranquilizador».

Más allá de LIGO

La primera detección directa de ondas gravitacionales llegó en 2015 de la mano del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO). Las antenas gemelas de LIGO, situadas en los estados de Washington y Luisiana, midieron las ondas producidas en los momentos finales de la fusión de dos agujeros negros, cada uno con una masa decenas de veces mayor que la del Sol.

Desde entonces, LIGO y su homólogo italiano Virgo han detectado decenas de estallidos similares. Esas ondas poseen frecuencias de entre decenas y miles de ciclos por segundo (similares a los tonos más bajos del sonido audible), y se pueden detectar durante varios segundos o, en algunos casos, minutos.

La técnica basada en púlsares que emplea la colaboración IPTA busca ondas gravitacionales más persistentes y que oscilan a frecuencias mucho más bajas, del orden de ciclos por año o incluso por década. Esas señales no procederían de fusiones, sino de sistemas binarios donde cada agujero negro orbita en torno al otro durante mucho tiempo. «Es algo muy distinto a las ráfagas que detecta LIGO, donde todo sucede muy deprisa y un evento concreto no volverá a ocurrir», explica George Hobbs, radioastrónomo en la Instalación Nacional de Telescopios de Australia en Epping.

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Los astrofísicos piensan que la mayoría de las galaxias grandes albergan un agujero negro supermasivo en su centro. Cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros centrales acaban cayendo al centro de la galaxia recién formada y comienzan a orbitar uno alrededor del otro. Si se acercan lo suficiente, emitirán intensas ondas gravitacionales.

La técnica de los púlsares trata de detectar el paso de esas ondas gravitacionales a través de nuestra galaxia, que estiraría y comprimiría el espacio situado entre el sistema solar y las estrellas de neutrones en rotación conocidas como púlsares. Los observatorios como LIGO, por contra, detectan las ondas gravitacionales cuando inciden sobre la Tierra.

El enfoque presenta retos únicos. LIGO mide minúsculas variaciones en la distancia entre dos espejos separados por varios kilómetros. Sin embargo, los cambios en la distancia entre la Tierra y un púlsar no se pueden medir directamente, en parte porque entre los dos cuerpos se propagan miles de crestas y valles de ondas gravitacionales.

La Tierra y el púlsar «no se hallan en la misma cresta o valle», señala Maura McLaughlin, astrónoma de la Universidad de Virginia Occidental en Morgantown y miembro destacado de la colaboración de púlsares de Norteamérica. «Para calcular el retraso [en la llegada de la señal del pulsar], hay que estudiar el efecto de las ondas gravitacionales en el púlsar y en la Tierra. Lo que pasa entre medias se cancela», explica McLaughlin.

Los cambios de distancia deberían plasmarse en el retraso al que alude McLaughlin: cuando el espacio local se estira, las señales periódicas de un púlsar tardarán en llegar a la Tierra decenas de nanosegundos más que en otras circunstancias.

Señales ruidosas

La medición de esos retrasos requiere décadas de recogida minuciosa de datos y semanas de cálculos en un superordenador. Y se basa en la extraña física de los púlsares.

Muchas estrellas de neutrones (núcleos colapsados ​​de estrellas con un diámetro de apenas 20 kilómetros y una masa mayor que la del Sol) emiten radiación desde sus polos magnéticos. A medida que gira el astro, el haz de radiación da vueltas como la luz de un faro. Algunos de esos haces interceptan la trayectoria de la Tierra a través del espacio y los registramos como pulsos de radiación que llegan a intervalos muy regulares. A finales de la década de 1970, los astrónomos señalaron que estas «balizas» podrían servir como detectores de ondas gravitacionales gracias a esa notable regularidad.

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Pero las señales de los púlsares son ruidosas, y las nubes de electrones interestelares pueden ralentizarlas o dispersarlas. Para superar estos problemas, los astrónomos deben comparar las señales de tantos púlsares como sea posible mediante una «red de cronometraje de púlsares».

Además, hay que calcular la posición de referencia del centro de masas del sistema solar (que se ve afectada por los movimientos de los planetas) con un error inferior a 100 metros.

En la última década, esos cálculos han mejorado mucho gracias a las mediciones de la posición de Júpiter y de Saturno que han realizado las misiones Juno y Cassini de la NASA. Los nuevos análisis han tranquilizado a algunos astrónomos: las mediciones anteriores, menos precisas, y algunas hipótesis demasiado prudentes les habían llevado a temer que quizá no existiera el fondo de ondas gravitacionales previsto.

Pero, con el paso de los años, los investigadores han ido recabando más datos y perfeccionando sus técnicas. En 2020 y 2021, las tres colaboraciones comenzaron a ver señales reveladoras del fondo de ondas gravitacionales. El ruido «blanco» habitual contiene fluctuaciones aleatorias en todas las frecuencias, mientras que el ruido rojo es más intenso en las frecuencias más bajas. Esperaríamos observarlo cuando comiencen a aflorar señales con longitudes de onda largas; en concreto, con períodos comparables a los veintitantos años de datos que ya se han acumulado.

El último análisis conjunto de la IPTA, que aunó los datos de todas las colaboraciones regionales a fin de lograr una mayor sensibilidad a las ondas gravitacionales y examinó un total de 65 púlsares, también detectó el ruido rojo. Sin embargo, no empleó los datos más recientes que los tres grupos analizaron por separado entre 2020 y 2021.

El hallazgo no indica necesariamente la presencia de ondas gravitacionales. «Hay más cosas que pueden producir ruido rojo», advierte Kramer, como un patrón inesperado en la forma en que se ralentiza la rotación de los púlsares.

«Falta un componente crucial» para proclamar un descubrimiento, admite el radioastrónomo Andrea Possenti, otro de los líderes del grupo europeo, que trabaja en el Observatorio Astronómico de Cagliari. «Deben observarse correlaciones entre las señales de los distintos púlsares.»

Hobbs coincide. «Personalmente, me gustaría que se realizaran muchas más comprobaciones antes de descorchar el champán», subraya.

Si se descubre ese fondo de ondas gravitacionales, «la recompensa científica será inmensa», afirma Mónica Colpi, astrofísica de la Universidad de Milán-Bicocca. Las señales podrían revelar información sobre las interacciones de los agujeros negros con la materia oscura, las estrellas y las nubes de gas de sus galaxias, comenta.

Los esfuerzos por buscar las ondas sufrieron un revés en diciembre de 2020, cuando colapsó el radiotelescopio de 300 metros de Arecibo, que desempeñaba un papel importante en la medición de los púlsares. Eso obligó al equipo norteamericano a redirigir parte del trabajo a su otra gran instalación, el telescopio de 100 metros Green Bank, en Virginia Occidental. «Hemos perdido un puñado de nuestros púlsares más débiles y tenemos lagunas de algunos meses en los datos, pero en general estamos haciendo frente a la pérdida de Arecibo lo mejor que podemos», comparte Siemens.

Los futuros estudios contarán con los datos de cronometraje de púlsares que están obteniendo grandes observatorios de radioastronomía de la India y Sudáfrica. En un futuro cabe esperar que también se una FAST, un radiotelescopio de 500 metros de apertura situado en China.

Y los investigadores sostienen que el próximo artículo de la colaboración IPTA, que se espera para este año o el siguiente, podría usar los datos actuales para confirmar el descubrimiento del fondo de ondas gravitacionales producido por los agujeros negros supermasivos. «Es el momento de juntar todo y realizar una detección», sentencia Kramer.

David Castelvecchi/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con el permiso de Nature Research Group.

Referencia: «The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic gravitational wave background», John Antoniadis et al. en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 510, págs. 4873–4887, 19 de enero de 2022.

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