Un equipo europeo en el que participan los Institutos Max Planck de Física Gravitacional y Radioastronomía, junto con astrónomos indios y japoneses, ha descubierto las primeras pruebas de un fondo de ondas gravitacionales originado en la formación y evolución del Universo y sus galaxias.

El equipo utilizó el European Pulsar Timing Array y el Indian Pulsar Timing Array, que comprenden seis de los radiotelescopios más sensibles del mundo. Con estos instrumentos, los investigadores observaron durante 25 años una ventana del espectro de ondas gravitacionales hasta entonces inexplorada, en longitudes de onda comparables a las distancias entre las estrellas de la Vía Láctea.

El objetivo de las observaciones no eran las ondas gravitacionales directamente, sino 25 estrellas púlsar distribuidas en la Vía Láctea, que forman el mayor detector de ondas gravitacionales hasta la fecha. Los datos permiten albergar esperanzas de nuevos conocimientos sobre la formación y el desarrollo de nuestro universo y sus galaxias.

Un temblor del espacio-tiempo

Las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz y provocan un estiramiento y un estrujamiento periódicos de la estrecha red del espacio y el tiempo. El origen más probable del fondo de ondas gravitacionales en longitudes de onda de unos pocos años luz es la distribución cósmica de sistemas binarios de agujeros negros con millones a miles de millones de masas solares.

Éstos se formaron cuando las galaxias colisionaron y se fusionaron con frecuencia en el universo primitivo. En ese proceso, los agujeros negros supermasivos de los centros de estas galaxias se acercaron entre sí para formar binarias cercanas.

Se han desarrollado detectores de ondas gravitacionales en la Tierra para medir los efectos de las ondas más cortas que se producen cuando dos agujeros negros de masa estelar orbitan cerca el uno del otro y acaban fusionándose. Las ondas gravitacionales largas procedentes del universo temprano activo no pueden medirse directamente desde la Tierra, pero sí modifican la frecuencia del reloj de las estrellas púlsares.

Faros cósmicos

Los púlsares son restos estelares que, al igual que los faros cósmicos, emiten luz de radio en dos direcciones opuestas mientras giran alrededor de un eje. Si el cono de haces de radio pasa por encima de la Tierra, el púlsar puede medirse por sus pulsos de radio periódicos.

El radiotelescopio de 100 metros de Effelsberg (Alemania) forma parte del European Pulsar Timing Array | foto N. Tacken, Instituto Max Planck de Radioastronomía.

Los púlsares son excelentes relojes naturales. Utilizamos la increíble regularidad de sus señales para buscar cambios minúsculos en su tic-tac y detectar así el sutil estiramiento y compresión del espacio-tiempo por las ondas gravitatorias procedentes del Universo lejano, afirma David Champion, del Instituto Max Planck de Radioastronomía. Aquí, los resultados se basan en el subconjunto de 25 púlsares elegidos para ofrecer la mayor sensibilidad a un fondo de ondas gravitacionales.

Los resultados se basan en décadas de campañas de observación coordinadas con los seis radiotelescopios más grandes de Europa y la India. Se trata del radiotelescopio de 100 metros de Effelsberg (Alemania), el Radiotelescopio de Síntesis de Westerbork (Países Bajos), el Telescopio Lovell del Observatorio de Jodrell Bank (Reino Unido), el Radiotelescopio de Cerdeña (Italia), el Radiotelescopio de Nançay (Francia) y el Radiotelescopio Gigante de Ondas Metálicas de la India.

El análisis de los datos de las redes de temporización de púlsares es complicado porque éstas utilizan objetos astrofísicos como detectores, explica Jonathan Gair, del Instituto Max Planck de Física Gravitacional. Mientras que en la Tierra se puede manipular y optimizar un detector, esto no es posible con las estrellas que giran rápidamente. Para detectar las ondas gravitacionales como una firma débil en las señales de sincronización de los púlsares, los investigadores necesitan comprender con precisión la luz de radio periódica que reciben de los púlsares y también las imprecisiones en su frecuencia de reloj.

También se valen de los conocimientos que poseen desde hace tiempo sobre las propiedades de las ondas gravitacionales, que se propagan en el espacio e influyen en los púlsares que se encuentran en él. Así pues, es de esperar que los cambios en la temporización de los púlsares observados estén interrelacionados de alguna manera. Que esta correlación se haga visible en los datos es una cuestión de estadística.

¿Seguro o incierto?

Según el patrón oro de la física, la señal medida, es decir, el patrón según el cual los relojes de todos los púlsares observados se desvían de la norma, sólo se puede probar de forma fiable si no es una señal aleatoria con una probabilidad del 99,99997 por ciento. Por tanto, una señal como la esperada sólo debería producirse por pura casualidad una vez entre un millón de mediciones.

Como esto apenas puede comprobarse en la práctica, los científicos simulan en el ordenador las señales recurrentes estándar de todos los púlsares para el caso concreto de que no haya ondas gravitatorias que modifiquen estas señales. Las mediciones del European Pulsar Timing Array -así como las de otras colaboraciones internacionales- aún no cumplen ese estándar de oro.

Para alcanzar una certeza definitiva, los equipos planean fusionar sus conjuntos de datos en uno único y más completo bajo el paraguas del International Pulsar Timing Array. Esto incluiría observaciones de más de 100 púlsares, con 13 radiotelescopios, y podría ser suficiente para proporcionar en el futuro pruebas irrefutables de la existencia de un fondo de ondas gravitacionales, testigo de una fase importante en la evolución del universo.

Fuentes

Max Planck Institute for Radio Astronomy | The EPTA collaboration: J. Antoniadis, S. Babak, A.-S. Bak Nielsen, C. G. Bassa, A. Berthereau, et al., The second data release from the European Pulsar Timing Array. I. The dataset and timing analysis. Astronomy & Astrophysics, doi.org/10.1051/0004-6361/202346841

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