El rumor era cierto: observan, por primera vez, el fondo cósmico de ondas gravitacionales

El tan ansiado hallazgo, que se publica este jueves en 'The Astrophysical Journal Letters', fue llevado a cabo por investigadores del Observatorio de Nanohercios de Ondas Gravitacionales de América del Norte (NANOGrav), en el que participan expertos de 70 instituciones diferentes. Para lograrlo, los científicos recurrieron al 'truco' de utilizar púlsares como si fueran metrónomos celestiales. Los púlsares son un tipo de cadáver estelar que gira muy rápidamente sobre su eje (cientos o incluso miles de veces por segundo), emitiendo en cada giro un 'pulso' de radio (de ahí su nombre), un 'tic tac' más preciso que el de un reloj atómico.

Al comparar las tasas de los tic tac de 67 púlsares repartidos por nuestra galaxia, los científicos descubrieron que, en los 15 años de datos disponibles, su cadencia mostraba ligeras variaciones. El equipo del NANOGrav ha demostrado que esas variaciones se debían al paso de ondas gravitacionales de baja frecuencia, que distorsionan el tejido sobre el que se asienta la realidad física, el espacio-tiempo. De hecho, es el estiramiento y la compresión del espacio entre la Tierra y los propios púlsares lo que hace que su tic tac llegue a la Tierra mil millonésimas de segundo antes o después de lo esperado.

Estos resultados constituyen la primera evidencia del fondo de ondas gravitacionales, una especie de 'sopa' de distorsiones espacio temporales que impregna todo el Universo y que fue predicha hace ya décadas por los científicos.

Las ondas gravitacionales detectadas de esta forma son, con mucho, las más poderosas medidas hasta ahora, y transportan aproximadamente un millón de veces más energía que los estallidos de ondas gravitacionales de las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones detectadas por experimentos como LIGO y Virgo.

La existencia de ondas gravitacionales fue predicha por primera vez por Albert Einstein en 1916, pero no se observaron por primera vez hasta 2015, cuando el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) detectó ondas en el espacio-tiempo que pasaban a través de la Tierra. Aunque la fuente de aquellas ondas gravitacionales fue una colisión de dos agujeros negros lejanos, la distorsión espacial resultante detectada por LIGO fue más pequeña que el núcleo de un átomo.

En comparación, el aparente cambio de tiempo en el tic tac de los púlsares medido por el equipo de NANOGrav es de unos pocos cientos de billonésimas de segundo, pero representa una flexión del espacio-tiempo entre la Tierra y los púlsares equivalente a la longitud de un campo de fútbol. Esas distorsiones, explican los científicos, fueron causadas por ondas gravitacionales tan inmensas que la distancia entre dos crestas es de 2 a 10 años luz, o alrededor de 9 a 90 billones de kilómetros. Según los investigadores, es muy posible que la mayoría de esas ondas gravitacionales gigantes sean producidas por parejas de agujeros negros supermasivos que se orbitan mutuamente, moviéndose en espiral hacia colisiones cataclísmicas a lo largo de todo el Universo.

«Es como un coro, con todos estos pares de agujeros negros supermasivos resonando en diferentes frecuencias -afirma Chiara Mingarelli, investigadora del NANOGrav-. Esta es la primera evidencia que tenemos del fondo de ondas gravitacionales. Hemos abierto una nueva ventana de observación del Universo».

La primera detección del fondo de ondas gravitacionales abre las puertas a un auténtico tesoro de nuevos conocimientos y promete respuestas a preguntas de larga data, desde el destino de los pares de agujeros negros supermasivos hasta la frecuencia de las fusiones entre galaxias. Por ahora, sin embargo, NANOGrav solo puede medir el fondo general de ondas gravitacionales, pero no puede distinguir una por una las fuentes que lo componen. Y aún así los científicos se llevaron más de una sorpresa.

«El fondo de ondas gravitacionales -dice Mingarelli- es aproximadamente el doble de fuerte de lo esperado. Está realmente en el extremo superior de lo que nuestros modelos pueden crear a partir de agujeros negros supermasivos». Este 'volumen ensordecedor' podría ser el resultado de las limitaciones del propio experimento, o quizá de la existencia de agujeros negros supermasivos más pesados y abundantes de lo que se creía. Pero también existe la posibilidad de que 'algo más' esté generando poderosas ondas gravitacionales, dice Mingarelli, como los mecanismos predichos por la teoría de cuerdas o incluso alguna explicación alternativa del origen del Universo. «Lo que viene ahora -dice la científica- es todo. Este es solo el comienzo».

Conseguir llegar a este hallazgo fue un desafío de años para el equipo de NANOGrav. Las ondas gravitacionales que observaron, de hecho, son absolutamente diferentes a todo lo medido previamente. Por ejemplo, a diferencia de las ondas de alta frecuencia detectadas por instrumentos terrestres como LIGO y Virgo, el fondo de ondas gravitacionales se compone de ondas de frecuencia ultrabaja. Lo cual significa que una sola 'subida y bajada' de una de las olas de la onda podría tardar años o incluso décadas en pasar. Y dado que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, eso significa que la distancia entre dos crestas podría tener una longitud de decenas de años luz.

Resulta más que evidente que ningún experimento en la Tierra es capaz de detectar ondas tan colosales, por lo que el equipo de NANOGrav tuvo que mirar hacia las estrellas. Lo que hicieron fue observar de cerca los púlsares, los restos ultradensos de estrellas masivas que explotaron como supernovas. Los púlsares actúan como auténticos faros estelares, disparando haces de ondas de radio desde sus polos magnéticos. A medida que los púlsares giran rápidamente (a veces cientos, o miles de veces por segundo), esos rayos barren el cielo y aparecen, desde nuestro punto de vista en la Tierra, como pulsos rítmicos de ondas de radio.

Esos pulsos llegan a la Tierra perfectamente sincronizados. La precisión es tal que cuando Jocelyn Bell midió las primeras ondas de radio púlsar en 1967, los astrónomos llegaron a pensar que podrían ser señales de una civilización alienígena.

Pero cuando una onda gravitacional pasa entre nosotros y un púlsar, altera la sincronización de las ondas de radio. Esto es, 'desacompasa' el siempre regular tic tac del pulsar. Sin embargo, se trata solo de una ilusión. En realidad, el pulsar sigue siendo tan preciso como siempre, pero dado que las ondas gravitacionales estiran y comprimen el espacio a medida que se propagan por el cosmos, cambian la distancia que deben recorrer las ondas de radio hasta llegar a nosotros. Y a nuestros ojos se produce un desajuste con respecto a lo esperado.

En busca de esos desajustes que delataran el paso de ondas gravitacionales de baja frecuencia, durante 15 años los científicos de NANOGrav cronometraron pacientemente los pulsos de ondas de radio de decenas de púlsares de milisegundos en nuestra galaxia utilizando el ya desaparecido Observatorio de Arecibo en Puerto Rico, el Telescopio Green Bank en Virginia Occidental y el Very Large Array en Nuevo México. Los nuevos hallazgos son el resultado de un análisis detallado de una matriz de 67 de esos púlsares.

«En realidad -dice Maura McLaughlin, de la Universidad de West Virginia y codirectora del NANOGrav Physics Frontiers Center- los púlsares son fuentes de radio muy débiles, por lo que necesitamos miles de horas al año en los telescopios más grandes del mundo para llevar a cabo este experimento. Estos resultados solo han sido posibles gracias al compromiso continuo de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) con estos observatorios de radio excepcionalmente sensibles».

Ya en 2020, con solo 12 años de datos, los científicos de NANOGrav comenzaron a ver indicios de una señal, un 'zumbido' adicional generalizado, que afectaba al tiempo de todos los púlsares de la matriz. Y ahora, tres años de observaciones más tarde, han acumulado ya suficientes pruebas concretas para anunciar el descubrimiento del fondo de ondas gravitacionales.

«Ahora que tenemos evidencia de este fondo -afirma por su parte Sarah Vigeland de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee-, el siguiente paso es usar nuestras observaciones para estudiar una a una las fuentes que producen este zumbido».

Según se explica en el artículo, las fuentes más probables del fondo de ondas gravitacionales son pares de agujeros negros supermasivos atrapados en una mortífera espiral que lleva a la colisión entre ambos. Esos agujeros negros son realmente colosales y pueden alcanzar masas equivalentes a la de miles de millones de soles. Y resulta que casi todas las galaxias, incluida nuestra propia Vía Láctea, tienen por lo menos a uno de estos gigantes en sus núcleos. Cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros supermasivos pueden encontrarse y comenzar a orbitar entre sí. Y cuando finalmente chocan, producen las ondas gravitacionales de baja frecuencia captadas ahora por los científicos.

Sin embargo, no todas las ondas gravitacionales detectadas por NANOGrav proceden necesariamente de pares de agujeros negros supermasivos. De hecho, existen otras teorías que también predicen ondas en el rango de frecuencia ultra baja. La teoría de cuerdas, por ejemplo, predice que las cuerdas cósmicas pueden haberse formado en el universo primitivo. Y esas cuerdas podrían disipar energía emitiendo ondas gravitacionales.

Otra idea a considerar sugiere que el Universo no comenzó de la nada con un Big Bang, sino que procede de un universo anterior, que colapsó sobre sí mismo antes de expandirse hacia afuera en un Gran Rebote (Big Bounce). Si eso fuera cierto, las ondas gravitacionales de aquel evento estarían aún propagándose a través del espacio-tiempo. Y podrían formar parte del fondo de ondas gravitacionales recién detectado.

Por supuesto, también existe la posibilidad de que los púlsares, después de todo, no sean los detectores de ondas gravitacionales perfectos que los científicos creen que son y que, en vez de eso, tengan alguna variabilidad desconocida que esté sesgando los resultados de NANOGrav. Por desgracia, dice Mingarelli, «no podemos acercarnos a los púlsares y encenderlos y apagarlos nuevamente para ver si hay un error».

La única solución, pues, es la de seguir cronometrando los púlsares durante más años, y comprobar después si los resultados se mantienen. Mientras, el equipo de NANOGrav tratará de 'despiezar' el recién descubierto fondo de ondas gravitacionales para averiguar cuáles son todos los posibles contribuyentes. Y están más que convencidos de que habrá sorpresas.