Una serie de púlsares alrededor de la Tierra incrustados en un fondo de ondas gravitacionales de binarios de agujeros negros supermasivos. Las señales de los púlsares medidas con una red de radiotelescopios globales se ven afectadas por las ondas gravitacionales y permiten estudiar el origen del fondo. Crédito: C. Knox

Ondas gravitacionales de fondo impregnan todo el espacio-tiempo

Un equipo internacional de astrónomos, incluidos científicos del Instituto de Astronomía de Ondas Gravitacionales de la Universidad de Birmingham, ha anunciado los resultados de una búsqueda exhaustiva de un fondo de ondas gravitacionales de frecuencia ultra baja .

Estas ondas a escala de años luz, una consecuencia de la teoría de la relatividad general de Einstein, impregnan todo el espacio-tiempo y podrían originarse a partir de fusiones de los agujeros negros más masivos del Universo o de eventos que ocurren poco después de la formación del Universo en el Big Bang.

Los científicos han estado buscando evidencia definitiva de estas señales durante varias décadas.

El International Pulsar Timing Array (IPTA), uniéndose al trabajo de varias colaboraciones de astrofísica de todo el mundo, completó recientemente su búsqueda de ondas gravitacionales en su publicación de datos oficial más reciente, conocida como Data Release 2 (DR2).

Este conjunto de datos consta de datos de tiempo de precisión de púlsares de 65 milisegundos (remanentes estelares que giran cientos de veces por segundo, barriendo haces estrechos de ondas de radio que aparecen como pulsos debido al giro) obtenidos al combinar los conjuntos de datos independientes de los tres pilares de la IPTA. miembros: El European Pulsar Timing Array (EPTA), el North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) y el Parkes Pulsar Timing Array en Australia (PPTA).

Estos datos combinados revelan una fuerte evidencia de una señal de frecuencia ultra baja detectada por muchos de los púlsares en los datos combinados. Las características de esta señal común entre los púlsares concuerdan ampliamente con las que se esperan de un “fondo” de ondas gravitacionales.

El fondo de ondas gravitacionales está formado por muchas señales de ondas gravitacionales superpuestas diferentes emitidas por la población cósmica de agujeros negros binarios supermasivos (es decir, dos agujeros negros supermasivos que orbitan entre sí y finalmente se fusionan), similar al ruido de fondo de las muchas voces superpuestas en un abarrotado salón.

Este resultado fortalece aún más la aparición gradual de señales similares que se han encontrado en los conjuntos de datos individuales de las colaboraciones de sincronización de púlsares participantes en los últimos años.

El profesor Alberto Vecchio, director del Instituto de Astronomía de Ondas Gravitacionales de la Universidad de Birmingham y miembro de la EPTA, dice: “La detección de ondas gravitacionales de una población de binarios de agujeros negros masivos o de otra fuente cósmica nos brindará conocimientos sin precedentes. sobre cómo se forman y crecen las galaxias, o los procesos cosmológicos que tienen lugar en el universo infantil. Se necesita un gran esfuerzo internacional de la escala de IPTA para alcanzar este objetivo, y los próximos años podrían traernos una edad de oro para estas exploraciones del universo”.

“¡Esta es una señal muy emocionante! Aunque todavía no tenemos evidencia definitiva, es posible que estemos comenzando a detectar un fondo de ondas gravitacionales”, dice el Dr. Siyuan Chen, miembro de EPTA y NANOGrav, y líder de la búsqueda y publicación IPTA DR2.

El Dr. Boris Goncharov de la PPTA advierte sobre las posibles interpretaciones de tales señales comunes: “También estamos investigando qué otra cosa podría ser esta señal. Por ejemplo, tal vez podría deberse al ruido que está presente en los datos de púlsares individuales que pueden haber sido modelados incorrectamente en nuestros análisis”.

Para identificar el fondo de ondas gravitacionales como el origen de esta señal de frecuencia ultrabaja, el IPTA también debe detectar correlaciones espaciales entre púlsares. Esto significa que cada par de púlsares debe responder de una forma muy particular a las ondas gravitacionales, dependiendo de su separación en el cielo.

Estas correlaciones de firmas entre pares de púlsares son la “pistola humeante” para una detección de fondo de ondas gravitacionales. Sin ellos, es difícil probar que algún otro proceso no es responsable de la señal. Curiosamente, la primera indicación de un fondo de ondas gravitacionales sería una señal común como la que se ve en el IPTA DR2. Si esta señal de frecuencia ultrabaja espectralmente similar se correlaciona o no entre púlsares de acuerdo con las predicciones teóricas se resolverá con una mayor recopilación de datos, conjuntos ampliados de púlsares monitoreados y búsquedas continuas de conjuntos de datos cada vez más grandes resultantes.

Señales consistentes como la recuperada con el análisis IPTA también se han publicado en conjuntos de datos individuales más recientes que los utilizados en IPTA DR2, de cada una de las tres colaboraciones fundadoras. El análisis IPTA DR2 demuestra el poder de la combinación internacional y brinda una fuerte evidencia de un fondo de ondas gravitacionales en comparación con la evidencia marginal o ausente de los conjuntos de datos constituyentes. Además, los nuevos datos del telescopio MeerKAT y del Indian Pulsar Timing Array (InPTA), el miembro más nuevo de IPTA, ampliarán aún más los conjuntos de datos futuros.

“El primer indicio de un fondo de ondas gravitacionales sería una señal como la que se ve en el IPTA DR2. Luego, con más datos, la señal se volverá más significativa y mostrará correlaciones espaciales, momento en el cual sabremos que es un fondo de ondas gravitacionales. Tenemos muchas ganas de contribuir con varios años de nuevos datos a IPTA por primera vez, para ayudar a lograr una detección de fondo de ondas gravitacionales”, dice el Dr. Bhal Chandra Joshi, miembro de InPTA.

Dados los últimos resultados publicados de los grupos individuales que ahora todos pueden recuperar claramente la señal común, IPTA es optimista sobre lo que se puede lograr una vez que estos se combinen en el IPTA Data Release 3. Ya se está trabajando en este nuevo lanzamiento de datos, que como mínimo incluirá conjuntos de datos actualizados de los cuatro PTA constituyentes de la IPTA. Se espera que el análisis del conjunto de datos DR3 finalice en los próximos años.

La Dra. Maura McLaughlin de la colaboración NANOGrav dice: “Si la señal que estamos viendo actualmente es el primer indicio de un fondo de ondas gravitacionales, entonces, según nuestras simulaciones, es posible que tengamos mediciones más definidas de las correlaciones espaciales necesarias para determinar de manera concluyente identificar el origen de la señal común en un futuro próximo”.

Referencia: “The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic Gravitational Wave Background”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab3418

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