Nanoterremotos en el espacio-tiempo

Las ondas gravitatorias fueron la última gran predicción de la Relatividad General que se verificó experimentalmente en 2015, cuando LIGO detectó por primera vez ondas gravitatorias causadas por la fusión de un par de agujeros negros. Lo hizo midiendo la expansión y compresión literal del espacio, utilizando lo que equivale a “un par de reglas” ultraprecisas de unos cuatro kilómetros de longitud. Ahora bien, al igual que el espectro electromagnético está compuesto por ondas con longitudes muy diferentes (véase las ondas de radio con longitudes de aproximadamente 1 km, o la luz visible con longitudes de onda de micrómetros), las ondas gravitatorias pueden tener longitudes muy variadas dependiendo de lo que las produzca.

La fusión de dos agujeros negros estelares o dos estrellas de neutrones, que tienen periodos orbitales muy cortos justo antes de su fusión (del orden de segundos o milisegundos), produce ondas con longitudes del orden de kilómetros, y de ahí que los interferómetros de LIGO sean de cuatro kilómetros. Un sistema de dos enanas blancas, o mis queridas binarias de rayos-X ultracompactas, que tienen periodos orbitales de decenas de minutos, generan ondas con longitudes de millones de kilómetros, por lo que serán detectables con el Observatorio Espacial de Interferometría Láser (LISA) gracias a sus brazos láser de 2,5 millones de kilómetros de longitud. Pero también existen ondas gravitatorias con periodos de años o, lo que es lo mismo, con frecuencias de nanohercios, que se extienden por años-luz. Ondas que ningún dispositivo construido por el ser humano podría detectar, porque no podemos construir “reglas” a escala galáctica. ¡Ah!, pero aquí viene la genialidad. Ya lo cantaba Willie Colón, “si la vida te da limones, aprende a hacer limonada”. En nuestro caso, el Universo nos ha dado púlsares.

Estas estrellas de neutrones emiten rayos de luz a través de los polos magnéticos, cual faro cósmico, en algunos casos cada pocos milisegundos. No hay relojes más precisos en todo el Universo. Si medimos con nuestros radiotelescopios algún retraso en sus pulsos, quiere decir que ha habido un cambio en la distancia entre nosotros (la Tierra) y el púlsar debido a una perturbación del espacio-tiempo por el paso de una onda gravitatoria. Además, esa misma onda produciría un adelanto en un púlsar localizado en una dirección de noventa grados. Estarían “anticorrelados”. De esta manera, la Relatividad General nos predice los retrasos y adelantos que produciría una onda gravitatoria en una red de púlsares distribuidos por la Galaxia.

Y he aquí cómo nace el Pulsar Timing Array, un observatorio galáctico que consta de 67 púlsares (en el caso del consorcio NANOGrav). Tras quince años monitoreando con extrema precisión la hora de llegada de cada pulso, se ha obtenido evidencias de la detección del fondo estocástico de ondas gravitatorias. Esto significa que no detectamos una única onda producida por un solo evento, como el caso de las fusiones detectadas por LIGO. En este caso detectamos la superposición de muchísimas ondas provenientes de muchísimos eventos producidos a lo largo de la historia del Universo. En otras palabras, con LIGO detectamos la onda que produciría una sola piedra al caer en un lago, mientras que con el Pulsar Array detectamos el patrón de las ondas que producirían muchas piedras al caer al agua a lo largo del tiempo.

¿Y qué produce este “fondo de ondas”? Una de las posibilidades más aceptadas es que son producidas por sistemas binarios de agujeros negros supermasivos, los cuales se originan cuando dos galaxias pequeñas se fusionan para dar lugar a una galaxia de mayor tamaño. De esta manera, el fondo de ondas gravitatorias sería el resultado de la fusión de incontables galaxias a lo largo de la vida del Universo. Sin embargo, hay algo que no cuadra del todo. La señal es más fuerte de lo que los modelos predicen. Se han propuesto varios escenarios para intentar explicar esto. Uno de ellos es que los agujeros negros supermasivos sean más masivos de lo esperado. Otra posibilidad es que el número de agujeros negros sea mayor de lo predicho, y que haya una contribución extra, por ejemplo, de agujeros negros primordiales formados en los momentos iniciales del Universo. Incluso se ha sugerido que las ondas se hayan originado por la inflación cósmica, o por cuerdas cósmicas. Todo esto es muy excitante, porque significaría abrir una puerta al Universo inaccesible hasta ahora.

Mejores y más precisas medidas son necesarias para poder esclarecer todas estas cuestiones. Por lo pronto, los diferentes consorcios del mundo se han unido creando una colaboración internacional donde compartirán y combinarán todos sus datos recogidos hasta la fecha para analizarlos de manera común y así poder dar un paso más allá. Porque la unión hace la fuerza.

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Montserrat Armas Padilla es una astrofísica gomera que trabaja actualmente en el Instituto de Astrofísica de Canarias. Tras licenciarse en Física en la Universidad de La Laguna y trabajar en el Departamento de Física Aplicada de la misma, se marchó a Holanda para llevar a cabo su tesis doctoral en la Universidad de Ámsterdam. Ha disfrutado de estancias de investigación en diferentes instituciones como la Universidad de Kioto (Japón) y la Universidad de Oxford (Reino Unido), siempre dedicada al estudio de estrellas de neutrones mediante datos de rayos-X.

*Sección coordinada por Adriana de Lorenzo-Cáceres Rodríguez