Investigadores de la Universidad de Hirosaki han descubierto que las señales de los púlsares sugieren que ondas gravitacionales de frecuencia extremadamente baja se propagan por el espacio.
La señal observada por la colaboración internacional Pulsar Timing Array en 2023 podría provenir de un fondo estocástico de ondas gravitacionales o de una sola cadena de agujeros negros supermasivos cercanos.
Para distinguirlos, Hideki Asada y Shun Yamamoto de la Universidad de Hirosaki propusieron un método que utiliza el fenómeno de latido entre ondas gravitacionales de casi la misma frecuencia para buscar rastros de pulsos de radio de púlsar en la ligera desviación en el tiempo de llegada.
Explora los secretos del universo con un reloj espacial.
El cielo está lleno de «relojes cósmicos» de gran precisión. Un púlsar es una estrella de neutrones que emite pulsos de radio a intervalos regulares.
Los radiotelescopios en la Tierra monitorean la periodicidad de los púlsares, no solo para estudiar los púlsares en sí, sino también para usarlos como herramientas para explorar el universo.
Cuando algo invisible deforma el espacio-tiempo a lo largo del camino que une el púlsar con la Tierra, la regularidad del pulso cambia. Esta anomalía no es aleatoria, y aparecen anomalías similares en los púlsares de una región determinada del cielo, como si fueran ondas ondulantes.
«En 2023, varias colaboraciones de matrices de temporización de púlsares (NANOGrav, un equipo estadounidense y europeo) publicaron pruebas sólidas de ondas gravitacionales de nanohercios», comentó Asada.
Para explorar tales escalas, dependemos de púlsares estables y distantes que se encuentran a cientos o miles de años luz de distancia.
Primera detección de ondas gravitacionales de nanohercios
«Si bien la señal era estadísticamente confiable, estaba por debajo del umbral de 5 sigma que normalmente requieren los físicos de partículas», dijo Asada.
«Si bien se trata de una evidencia sólida, aún no es una detección confirmada, pero la comunidad de cosmología y astrofísica cree que estamos cerca de la primera detección de ondas gravitacionales de nanohercios».
Un candidato para las ondas gravitacionales de nanohercios es la inflación cósmica. Se cree que esto provocó fluctuaciones espacio-temporales en el universo primitivo, que luego se expandieron a una escala cósmica. El otro son los binarios de agujeros negros supermasivos, que se forman cuando las galaxias se fusionan.
Superar las dificultades con la sincronización del púlsar
El problema es que durante mucho tiempo se pensó que el patrón de correlación de los datos del púlsar (la forma en que se correlacionan los residuos de tiempo de diferentes púlsares) parecía el mismo en ambos casos.
«Como parte de nuestra investigación, investigamos las condiciones bajo las cuales un par de agujeros negros supermasivos cercanos generarían señales particularmente fuertes», explicó el profesor Asada.
«Si dos sistemas de este tipo tienen frecuencias muy similares, sus ondas pueden interferir y crear patrones de ritmo, al igual que en la acústica. Esta característica podría, en principio, distinguirlos del fondo estocástico de la inflación».
Entonces los investigadores aprovecharon un efecto sonoro muy conocido: el ritmo. Cuando dos ondas tienen aproximadamente la misma frecuencia, su superposición da como resultado un fortalecimiento y debilitamiento periódicos.
Aplicados a las ondas gravitacionales, dos binarios de agujeros negros supermasivos con frecuencias similares imprimen una modulación característica en la señal de sincronización del púlsar. El método consiste en buscar esta modulación en el patrón de correlación del púlsar. Si está presente, sugiere fuertemente que la señal se origina en un binario específico relativamente cercano en lugar de un fondo difuso.
Aclarando el origen de las ondas gravitacionales.
El Sr. Asada concluyó lo siguiente. «Una vez que se logre la detección confirmada en 5 sigma, quizás dentro de unos años, el siguiente paso será preguntar cuál es el origen de las ondas.
«En ese momento, nuestro método podría ayudar a distinguir si provienen de la inflación o de binarios de agujeros negros supermasivos cercanos».
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