“El latido del universo”: escuchan por primera vez el ruido cósmico emitido por los agujeros negros

Un grupo internacional de astrónomos y astrofísicos ha escuchado por primera vez el leve zumbido de las ondas gravitacionales resonando en todo el universo.

Durante casi una década, los científicos han estado buscando el fondo de ondas gravitacionales, un eco tenue pero persistente de ondas gravitacionales que se cree que fue desencadenado por eventos que tuvieron lugar poco después del Big Bang y las fusiones de agujeros negros supermasivos en todo el cosmos.

Si bien los físicos teorizaron durante mucho tiempo sobre dicho fondo y los astrónomos lo buscaron, las señales de ondas gravitacionales que componen ese fondo han sido difíciles de detectar ya que son débiles, además de vibrar en escalas de tiempo de una década. Ahora, las observaciones a largo plazo finalmente han confirmado su presencia.

En un anuncio muy anticipado, publicado en la revista The Astrophysical Journal Letters y coordinado a nivel mundial, equipos de científicos de todo el mundo informaron el descubrimiento del “zumbido de tono bajo” de estas ondas cósmicas que fluyen a través de la Vía Láctea. La señal, mucho más dilatada en el tiempo, evoca un fenómeno de mayor escala, captado por una red de telescopios de Europa, Norteamérica, India, Australia y China del consorcio International Puslar Timing Array (IPTA).

Si bien los astrónomos no saben definitivamente qué está causando el zumbido, “la señal detectada es una evidencia convincente y consistente con las expectativas teóricas de ondas gravitacionales que emergen de copiosos pares de los agujeros negros más masivos en todo el universo que pesan tanto como miles de millones de soles”, dijo Stephen Taylor, astrofísico de ondas gravitacionales de la Universidad de Vanderbilt en Tennessee, quien codirigió la investigación.

El descubrimiento significa que los astrofísicos pueden haber abierto una ventana completamente nueva a los agujeros negros supermasivos. Estos objetos misteriosos y extremadamente densos, de millones a miles de millones de veces más masivos que el sol, se encuentran en el centro de galaxias como la nuestra.

Cuando dos galaxias se fusionan, se cree que los enormes agujeros negros en sus centros se juntan y giran entre sí en una danza giratoria que envía olas gigantes en espiral. Estas ondas son como las ondas que se mueven a través de un estanque si arrojas una piedra; solo que estas ondas se mueven a través de la estructura misma del universo, y los investigadores han estado ansiosos por estudiarlas.

“Hemos estado en una misión durante los últimos quince años para encontrar un zumbido grave de ondas gravitacionales resonando en todo el universo”, agregó Taylor, que se desempeña como presidente de un equipo de investigadores conocido como el Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav). “Estamos muy contentos de anunciar que nuestro arduo trabajo ha valido la pena”, sostuvo.

Una nueva clase de ondas espaciales

Hasta ahora, los científicos solo han podido detectar ondas gravitacionales creadas por agujeros negros mucho más pequeños. Los primeros se vieron en 2015, cuando un consorcio de investigación registró las ondas creadas por la fusión de dos agujeros negros, cada uno de los cuales era unas 30 veces más masivo que el sol.

Ese descubrimiento histórico demostró que las ondas gravitacionales realmente existían, cumpliendo una predicción hecha por Albert Einstein en 1916 y brindando a los investigadores una nueva forma de estudiar fenómenos exóticos como los agujeros negros y las estrellas de neutrones.

La detección inicial de esas ondas gravitacionales se basó en un par de dispositivos especialmente construidos, en Luisiana y Washington, que enviaban láseres por dos “brazos” o tubos de 2,5 millas. Cuando una onda gravitacional atravesaba y estiraba el espacio, estos detectores podían captar el cambio increíblemente leve en la distancia recorrida por los láseres.

Ese enfoque funcionó para encontrar ondas gravitacionales que se extendían aproximadamente 2000 millas de largo, dice Jeff Hazboun, astrofísico de la Universidad Estatal de Oregón. Pero esto no funcionaría para encontrar el tipo de ondas gravitacionales de longitud de onda larga creadas por agujeros negros supermasivos, del tipo cuya longitud de onda es de 4 años luz, o “20 millones de millones de millas”, dice Hazboun.

Para capturar longitudes de onda tan largas, un detector tendría que tener “brazos” que se extendieran hasta la mitad de la galaxia. Así que los investigadores decidieron convertir la propia galaxia en una especie de detector, aprovechando su rareza existente. “Podemos hackear la galaxia”, dice Hazboun, miembro del equipo NANOGrav, que cuenta con casi 100 miembros de EE. UU., Canadá y una docena de otros países.

La técnica de NANOGrav se basa en el seguimiento de púlsares, que son los núcleos giratorios súper densos de estrellas muertas. Cada púlsar es pequeño, del tamaño de una ciudad, pero gira cientos de veces por segundo, emitiendo haces de emisiones de radio que barren el cielo con regularidad.

“Cada vez que su haz cruza nuestra línea de visión, vemos una señal de pulso”, dijo el miembro de colaboración de NANOGrav, Thankful Cromartie, de la Universidad de Cornell. Los intervalos son tan regulares que los científicos pueden predecir exactamente cuándo debería llegar un pulso a la Tierra. Luego pueden buscar pequeñas desviaciones de esa hora de llegada prevista.

“Y si ese pulso llega un poco tarde o un poco temprano, entonces podemos atribuirlo a una onda gravitacional que pasa”, dice Hazboun, quien explica que una onda gravitacional estirará o comprimirá el espacio-tiempo, cambiando la distancia que un pulso tiene que viajar para llegar a la Tierra.

Así, para detectar estas ondas, los científicos emplearon un nuevo instrumento: lo púlsares de la Vía Láctea. Estas estrellas tienen una masa equivalente a una o dos veces la del Sol, pero comprimida en una esfera de una decena de kilómetros de diámetro. Ultracompactos, estos astros giran sobre sí mismos a gran velocidad, hasta 700 vueltas por segundo, explica el investigador del CNRS. Esta rotación desenfrenada produce una radiación magnética en sus polos, que se parece al haz de luz de un faro, detectable gracias a las ondas de radio emitidas a baja frecuencia.

A cada vuelta, los púlsares envían unos “pitidos” ultrarregulares, que se erigen como “destacados relojes naturales”, explica Lucas Guillemot, del laboratorio de física y química del medioambiente y del espacio (LPC2E) de Orleans.

“Para obtener este tipo de amplitudes altas que estamos viendo, necesitamos agujeros negros bastante masivos, y deben formar binarios con bastante frecuencia y evolucionar de manera bastante eficiente”, agregó Kelley. Si el descubrimiento da resultado y las señales que se detectan terminan siendo de agujeros negros binarios, “entonces tenían que haber pasado el parsec final de una forma u otra”, sostuvo.

Como un restaurante bullicioso

¿Cuál es el origen de estas ondas? La hipótesis principal apunta a parejas de agujeros negros supermasivos, cada uno de ellos con un tamaño superior a nuestro sistema solar, “listos para chocarse”, explicó Theureau. Antoine Petiteau describe a dos colosos que “giran uno alrededor del otro antes de fusionarse”, un baile que provoca ondas gravitacionales de “un periodo de varios meses a varios años”.

Un ruido de fondo continuo que Michael Keith, de la red europea EPTA (European Pulsing Timing Array), compara con “un restaurante bullicioso con mucha gente hablando a tu alrededor”. También se lo comparó como un “mar picado agitado por violentos eventos”.

Las mediciones no permiten todavía decir si este ruido evoca la presencia de varias parejas de agujeros negros o de toda una población. Otra hipótesis sugiere un origen procedente de los primeros años del Universo, conocido como el periodo de inflación. “Abrimos una nueva ventana al Universo”, dijo Theureau.

“Añadimos una nueva gama de vectores de información”, complementaria a las investigaciones de Ligo y Virgo, que operan sobre distintas longitudes de ondas, dijo Petiteau. Esto podría, entre otras funciones, esclarecer el misterio de la formación de los agujeros negros supermasivos.

Sin embargo, deberán profundizar los estudios antes de llegar a una detección totalmente sólida, que se espera para dentro de un año. El criterio absoluto es que “haya menos de una posibilidad entre un millón de que esto ocurra por casualidad”, subrayaron en un comunicado el Observatorio de París, el CNRS, el CEA y las universidades de Orleans y París Cité.

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