Las ondas gravitacionales saltaron a la fama en 2016, cuando el observatorio LIGO, en EE.UU., hizo historia al anunciar la primera detección del fenómeno. En aquella ocasión, las ondas gravitacionales observadas procedían de una colisión de agujeros negros ocurrida en una galaxia distante. Desde entonces, LIGO y el experimento gemelo Virgo, en Italia, han observado decenas de eventos similares y han revolucionado la astronomía al haber encontrado una manera cualitativamente distinta de estudiar el universo. En lugar de hacerlo a partir de la luz que nos llega del cielo (o a partir de ciertas partículas, como los neutrinos y los rayos cósmicos), hoy es posible «ver» el cosmos gracias a la radiación gravitatoria emitida por algunos fenómenos astrofísicos especialmente violentos.

Ahora, a esta nueva manera de hacer astronomía puede haberse sumado un experimento más. Tras casi 13 años de observaciones astrofísicas, el Observatorio Norteamericano de Ondas Gravitacionales en la Banda de Nanohercios (NANOGrav, por su acrónimo en inglés), una colaboración entre EE.UU. y Canadá, ha anunciado la posible detección de un fondo difuso de ondas gravitacionales: un «murmullo» de radiación gravitatoria que, en lugar de provenir de una fuente localizada, impregnaría todo el espacio.

En su trabajo, publicado a finales de diciembre en Las cartas del diario astrofísico, la colaboración NANOGrav deja bien claro que, por el momento, los datos no son concluyentes. Con todo, varios artículos teóricos ya han aventurado algunas posibles explicaciones en caso de que ese supuesto fondo de radiación gravitatoria sea real, algunas de ellas tan exóticas como cuerdas cósmicas o agujeros negros creados en los primeros instantes del universo y que, a su vez, podrían dar cuenta de toda la materia oscura.

Xavier Siemens, físico de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y codirector e NANOGrav, indica que los resultados deberían poder confirmarse o descartarse dentro de poco. «Es posible que de aquí a un año tengamos resultados definitivos», apunta el investigador.

Alicia Sintes, investigadora de la Universidad de las Islas Baleares y miembro de LIGO, muestra su confianza en el experimento: «NANOGrav es una colaboración seria y tiene el potencial de detectar un fondo estocástico de ondas gravitacionales, cuyo origen podría ser astrofísico o también cosmológico», explica. «También sería sensible a la detección de ondas gravitacionales procedentes de sistemas binarios de agujeros negros supermasivos. En un futuro podrían ver la señal de uno de esos eventos de forma individual, pero lo que yo espero es que vean primero el fondo astrofísico: la superposición de muchas señales de binarias», añade la experta.

Un observatorio de proporciones astronómicas

Los experimentos LIGO y Virgo detectan ondas gravitacionales por medio de interferometría láser. Cada uno de sus detectores consta de dos largos brazos perpendiculares de varios kilómetros de longitud, por los cuales se propaga un haz láser que va y vuelve repetidas veces. Cuando una onda gravitacional llega a la Tierra, las distorsiones causadas en el espaciotiempo alargan y encogen los brazos del detector. Ello genera un cambio en el patrón de interferencia láser que permite detectar la onda.

El principio por el que funciona NANOGrav es en cierto modo similar, pero aplicado a proporciones astronómicas. Lo que estudia la colaboración son las emisiones de decenas de púlsares situados a distancias del orden de unos mil años luz de la Tierra. Los púlsares son estrellas de neutrones en rápida rotación que emiten potentes haces de radiación electromagnética. Dado que rotan, cuando su eje de emisión apunta hacia la Tierra, lo que se observa desde nuestro planeta es un pulso de radiación que se repite a intervalos de tiempo extremadamente regulares. Esa regularidad es tan elevada que rivaliza con la de los mejores relojes atómicos, lo que permite emplear estos objetos para efectuar mediciones muy precisas. Tanto es así que, si una onda gravitacional pasa entre el púlsar y nuestro planeta, la distorsión espaciotemporal provocada por la onda debería generar una variación detectable en los tiempos de llegada de las señales del púlsar.

Otra diferencia entre LIGO/Virgo y NANOGrav reside en el tipo de fuentes gravitacionales analizadas. Hasta ahora, LIGO y Virgo han observado fuentes «puntuales», como colisiones de agujeros negros. NANOGrav, sin embargo, estudia de manera simultánea numerosos púlsares distribuidos por todo el cielo, por lo que se presta de manera natural a detectar un fondo de ondas gravitacionales.

La diferencia entre una fuente puntual y un fondo difuso es análoga a la que, por ejemplo, existe entre la luz proveniente de una estrella y el fondo cósmico de microondas. Mientras que la primera se debe a un objeto concreto y muy bien localizado, la segunda impregna todo el espacio y llega a la Tierra desde todas las direcciones del cielo. Sintes añade que, en el futuro, LIGO y Virgo también deberían poder detectar un fondo de radiación gravitatoria: «LIGO y Virgo también tienen el potencial de detectar un posible fondo estocástico de ondas gravitacionales. Este esperamos poderlo detectar en los próximos años, al menos uno de origen astrofísico».

Una última distinción entre ambos experimentos es la frecuencia de las ondas gravitacionales que cada uno puede detectar. La sensibilidad de LIGO y Virgo es máxima para ondas gravitacionales con frecuencias del orden de unos 100 hercios. Tales ondas son justamente las que emiten las colisiones de estrellas de neutrones o agujeros negros de masa estelar, razón por la que son estos los eventos que hasta ahora han visto estos laboratorios. Por su parte, el principio en el que se basa NANOGrav permite detectar ondas gravitacionales con frecuencias muchísimo más bajas, en la banda de los nanohercios. Como consecuencia, el origen físico de las posibles ondas detectadas es necesariamente muy distinto.

Murmullo gravitatorio

Tras estudiar durante más de 12 años las pequeñas variaciones en los tiempos de llegada de las señales de 47 púlsares esparcidos por la Vía Láctea, NANOGrav ha detectado un patrón que podría ser indicativo de un fondo de ondas gravitacionales. La razón por la cual la señal no se considera concluyente es que, si realmente se trata de un fondo de radiación gravitatoria, las emisiones procedentes de púlsares cercanos deberían exhibir un tipo de correlación muy concreta. Esta correlación (de tipo cuadrupolar, en términos técnicos) constituiría la «prueba definitiva» de que la señal se debe a ondas gravitacionales, explica Siemens. Sin embargo, dicha correlación todavía no ha aparecido en los datos.

A pesar de ello, las propuestas teóricas para explicar el posible fenómeno no se han hecho esperar. De trabajos recientes publicados en Cartas de revisión física argumentan que dicho fondo podría deberse a las ondas gravitacionales emitidas por cuerdas cósmicas, hipotéticas estructuras unidimensionales que, según varios modelos, podrían haberse generado en alguna de las transiciones de fase que tuvieron lugar en el universo temprano.

Por su parte, otro artículo publicado en la misma revista argumenta que, en caso de que sea real, el fondo de ondas gravitacionales observado por NANOGrav podría provenir de la formación de agujeros negros primordiales creados durante el período de inflación cósmica, la hipotética fase expansión exponencial que habría experimentado el universo durante los instantes posteriores a la gran explosión. Según el modelo de los autores, tales agujeros negros primordiales podrían además explicar la totalidad de la materia oscura, la cual se encontraría formada por agujeros negros con masas muchos órdenes de magnitud inferiores a la del Sol.

No todos los expertos ven plausible esta interpretación. Juan García-Bellido, investigador del Instituto de Física Teórica de Madrid que en el pasado ha estudiado este tipo de modelos, considera que, en caso de que la materia oscura esté formada por agujeros negros primordiales, lo más probable es que estos tuvieran una masa del orden de una masa solar.

Por su parte, Siemens considera que, si el fondo observado por NANOGrav es real, lo más probable es que se deba a colisiones de agujeros negros supermasivos, ya que se sabe que tales colisiones deberían generar ondas gravitacionales en la misma banda de nanohercios a la que es sensible el experimento. «Los agujeros negros supermasivos sabemos que existen; las cuerdas cósmicas o los agujeros negros primordiales, no», razona el investigador.

Siemens explica que en estos momentos NANOGrav está colaborando con otros sondeos de púlsares, uno en Europa y otro en Australia, con la intención de llegar a resultados concluyentes en los próximos meses. «Por ahora debe quedar claro que los indicios no son definitivos», enfatiza el investigador.

Ernesto Lozano Tellechea

Referencia: «El conjunto de datos de 12,5 años de NANOGrav: búsqueda de un fondo de ondas gravitacionales estocásticas isotrópicas»; Zaven Arzoumanian et al. en Las cartas del diario astrofísico, vol. 905, art. L34, diciembre de 2020.



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