Año 21 Número 82 – Septiembre 2023
Por Ezequiel Zubieta
Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo que viajan a través del universo a la velocidad de la luz. Así como tirar una piedra en una pileta genera ondas que modifican la superficie del agua, las ondas gravitacionales dilatan y contraen el espacio y el tiempo a su paso.
Estas ondas son generadas en los eventos más violentos del cosmos, tales como la colisión de dos estrellas de neutrones, la fusión de agujeros negros, la explosión de estrellas, la pérdida de energía de agujeros negros supermasivos binarios en centros de galaxias, etcétera.
Ilustración de dos agujeros negros próximos a fusionarse y las ondas gravitacionales provocadas al orbitarse mutuamente. Créditos: LIGO
Aunque la existencia de las ondas gravitacionales fue predicha por Einstein en su Teoría de la Relatividad General (1915, hace ya más de un siglo), su primera detección se anunció recién en 2016, gracias a los detectores LIGO y VIRGO, que son instrumentos en forma de “L”, cuyos brazos miden 4 km (LIGO) y 3 km (VIRGO). Estos detectores son capaces de detectar ondas gravitacionales con frecuencias en el rango comprendido entre 10 y 10 mil Hz, las cuales provienen en su mayoría de dos objetos compactos con masas estelares (principalmente estrellas de neutrones y/o agujeros negros) que orbitan entre sí.
Sin embargo, existe también un fondo cósmico de ondas gravitacionales, que es una superposición de señales de múltiples fuentes, entre las cuales se encuentran los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos (agujeros negros con masas superiores a un millón de veces la masa del Sol). La frecuencia del fondo cósmico de ondas gravitacionales se ubica entre 0.1 nHz y 1000 nHz, para cuya detección son necesarios detectores del tamaño de la Vía Láctea.
Este es el caso de las Redes de Temporización de Púlsares (PTA, del inglés, Pulsar Timing Arrays). Los púlsares son estrellas de neutrones que pueden girar hasta cientos de veces por segundo, emitiendo un pulso de radiación por cada giro, que puede ser percibido desde la Tierra. Debido a que la rotación de los mismos puede ser tan estable como un reloj atómico, los mismos pueden ser usados como relojes espaciales.
Por otro lado, las ondas gravitacionales afectan al espacio-tiempo. Por lo tanto, modifican tanto el tiempo en el que el pulso fue emitido, como el tiempo en el que llega a la Tierra, además de variar también la distancia entre la Tierra y el púlsar. Luego, al monitorear varios púlsares que se encuentran en distintas direcciones (PTA), se tiene un detector de ondas gravitacionales del tamaño de nuestra Galaxia. Cabe destacar que estas ondas gravitacionales tienen un periodo del orden de años a décadas, por lo que es necesario mantener un monitoreo durante un lapso similar de tiempo para poder detectarlas.
Ilustración de un PTA compuesto por dos púlsares. Créditos: Nature
En particular, al pasar una onda gravitacional, los tiempos de arribo a la Tierra de los pulsos emitidos por los púlsares deberían verse modificados en función de la dirección en la que se encuentre el púlsar que se esté observando en relación a la dirección de propagación de la onda gravitacional. Esta correlación entre las distancias angulares entre pares de púlsares y los retrasos/adelantos en los tiempos de arribo de sus pulsos se conoce como “curva de Hellings–Downs”. Durante los últimos 15 años, distintos grupos de PTAs han usado radiotelescopios para recolectar observaciones de púlsares con el objetivo de detectar ondas gravitacionales. En Junio de 2023, NANOGrav (EEUU), EPTA (Europa), InPTA (India), PPTA (Australia), y CPTA (China) anunciaron que, tras haber analizado todos los datos de todos los púlsares recolectados hasta la fecha, encontraron la correlación buscada entre los tiempos de arribo de distintos púlsares, evidenciando la detección del fondo cósmico de ondas gravitacionales.
Correlación en la demora en los tiempos de arribo de los pulsos en función del ángulo de separación entre los púlsares encontrada por NANOGrav, junto a la curva teórica predicha por Hellings-Downs (1983). Resultados similares fueron hallados por el resto de las colaboraciones de manera independiente.
Actualmente, en el Instituto Argentino de Radioastronomía, se encuentra trabajando el grupo PuMA (Pulsar Monitoring in Argentina1). Desde 2018, este grupo realiza una campaña de monitoreo de púlsares con los radiotelescopios Varsavsky y Bajaja del IAR. En el año 2020 se mostraron los primeros resultados prometedores y la necesidad de contar con equipamiento de última tecnología para poder tener observaciones competitivas a nivel internacional. Con la calibración de los nuevos receptores disponibles desde 2023, se espera lograr la sensibilidad suficiente en las observaciones para poder unir esfuerzos con NANOGrav u otras colaboraciones en la detección y caracterización de ondas gravitacionales.
Referencias
B. P. Abbott … et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Phys. Rev. Lett. 116, 061102, 2016.
J. Aasi … et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Classical and Quantum Gravity, Vol. 32, no. 7.
F. Acernese … et al. (Virgo Collaboration) Classical and Quantum Gravity, Vol. 32, no. 7.
G. Agazie … et al. The Astrophysical Journal Letters, 951:L8.
V. Sosa-Fiscella … et al. 2021 The Astrophysical Journal, 908, 158.