Evidencia de que la Tierra está envuelta en un lento mar de ondas gravitacionales

Los científicos reportan la primera evidencia de que nuestra Tierra, y el universo que nos rodea, están envueltos en un fondo de ondas en el espacio-tiempo llamado Tierra. ondas gravitacionales. Las ondas oscilan muy lentamente durante años e incluso décadas, y se cree que se originan principalmente en pares de agujeros negros supermasivos que se juntan lentamente en espiral antes de fusionarse.

15 años de persecución

Este descubrimiento innovador, se detalla en una serie de documentos en el Cartas de revistas astrofísicas, es el resultado de 15 años de cuidadosas observaciones realizadas por el Observatorio Norteamericano de Ondas Gravitacionales de Nanohercios (NANOGrav). Como centro de fronteras de la física financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), NANOGrav incluye a más de 190 científicos de los Estados Unidos y Canadá. Utilizaron radiotelescopios en el Observatorio de Arecibo en Puerto Rico, el Telescopio Green Bank en Virginia Occidental y el Very Large Array en Nuevo México para observar 68 estrellas muertas, llamadas púlsares, en el cielo. Los púlsares actuaron como una red de boyas flotando en un mar de ondas gravitacionales que fluía lentamente.

Genere confianza en los resultados

dice Katerina Chatzioannou, miembro del equipo NANOGrav y profesora asistente de física en Caltech. «En el futuro, continuaremos brindando más observaciones y comparando nuestros resultados con los de socios internacionales, lo que nos permitirá conocer más datos».

Katrina Chatziwanu. Crédito: Instituto de Tecnología de California

detección de agujeros negros

«Tenemos una nueva forma de explorar lo que sucede cuando los monstruosos agujeros negros en los núcleos de las galaxias comienzan una espiral de muerte lenta pero implacable», dice Joseph Lazio, miembro del equipo de NANOGrav, científico principal del JPL.Laboratorio de Propulsión a Chorro), y miembro visitante en astronomía en el Instituto de Tecnología de California, quien dirige el Laboratorio de Propulsión a Chorro para NASA. «Creemos que este proceso es estándar para muchas galaxias, y hemos visto muchos ejemplos en diferentes pasos, pero finalmente estamos comenzando a echar un vistazo a uno de los principales pasos finales».

José Lacio. Crédito: Instituto de Tecnología de California

Ondas gravitacionales – concepto de Einstein

El concepto de ondas gravitacionales fue propuesto por primera vez por Albert Einstein en 1916. Sin embargo, no fueron descubiertas directamente hasta casi un siglo después por la Fundación Nacional de Ciencias financiadas. Lego (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser). Descubren olas de un par de agujeros negros en colisión.

A diferencia de LIGO, que detecta ondas gravitacionales a una frecuencia mucho más alta, NANOGrav, como sugiere su nombre, se enfoca en ondas gravitacionales de baja frecuencia en el rango de nanohercios, es decir, un ciclo cada pocos años.

Las ondas gravitacionales de alta frecuencia provienen de pares de agujeros negros más pequeños que se orbitan rápidamente entre sí en los últimos segundos antes de colisionar, mientras que se cree que las ondas de baja frecuencia son generadas por agujeros negros masivos en el corazón de las galaxias, que alcanzan miles de millones de veces la masa de nuestro sol, que se dispersan lentamente unos alrededor de otros y tienen millones de años antes de fusionarse.

El zumbido colectivo de la fusión de agujeros negros

En los nuevos estudios, se cree que un nanógrafo captó el zumbido colectivo de las ondas gravitacionales de varios pares de agujeros negros supermasivos fusionados en todo el universo. “La gente compara esa señal con más un soplido que con los gritos que capta LIGO”, explica Chatzioannou, quien también es miembro del equipo de LIGO y becario William H. Hurt.

Patricio Myers. Crédito: Instituto de Tecnología de California

«Es como si estuvieras en un cóctel y no puedes distinguir ningún sonido individual. Solo escuchamos el ruido de fondo», dice Patrick Myers, miembro del equipo de NANOGrav e investigador postdoctoral en Caltech que ayudó a dirigir las pruebas estadísticas del resultados.

Entendiendo el zumbido cósmico

La red NANOGrav de púlsares también se conoce como púlsar– Establecer el tiempo. Los púlsares, formados a partir de las explosiones de estrellas masivas, envían faros de luz que giran rápidamente en escalas de tiempo muy pequeñas. «Son como balizas de una baliza que pasa a un ritmo regular. Puede predecir el tiempo en el nivel de decenas de nanosegundos. Tienen el mismo nivel de precisión que los relojes atómicos en algunos casos», dice Myers.

A medida que las ondas gravitacionales viajan a través del universo, estiran y comprimen un poco el tejido del espacio-tiempo. Esta expansión y compresión puede causar un cambio en la distancia entre la Tierra y un púlsar en particular, retrasando o adelantando la sincronización de los destellos de luz del púlsar. Para buscar el zumbido de fondo de las ondas gravitacionales, el equipo científico desarrolló un software para comparar el tiempo de pares de púlsares en su red. Las ondas gravitacionales cambiarán este tiempo en diferentes grados dependiendo de qué tan cerca estén los púlsares en el cielo, un patrón calculado teóricamente por primera vez por Ron Hellings y George Downs en JPL a principios de la década de 1980.

Michel Valesneri. Crédito: Instituto de Tecnología de California

“Imagínese muchas ondas en el océano a partir de pares de agujeros negros supermasivos dispersos por todo el lugar”, dice Lazio. «Ahora, estamos sentados aquí en la Tierra, que actúa como una boya junto con los púlsares, y estamos tratando de medir cómo cambian las ondas y hacen que otras boyas se acerquen y se alejen de nosotros».

“Para deducir el fondo de ondas gravitacionales, tuvimos que identificar muchas influencias que confunden, como el movimiento de los púlsares, las perturbaciones causadas por los electrones libres en nuestra galaxia, la inestabilidad de los relojes de referencia en los observatorios de radio e incluso la ubicación exacta del centro de el sistema solar, que determinamos con la ayuda de Juno y Casini dice Michele Valesneri, miembro del equipo de NANOgrav, investigador principal en JPL y miembro visitante en astrofísica teórica en Caltech.

Otras conclusiones y conclusiones.

Los resultados futuros de NANOGrav incluirán el telescopio CHIME de Canadá, que se unió al proyecto en 2019. Caltech’s Matriz Sinóptica Profunda-2000DSA-2000, o un conjunto de 2000 antenas de radio que se construirán en el desierto de Nevada y comenzarán a operar en 2027, también se unirán a la búsqueda.

Los científicos esperan responder misterios sobre la naturaleza de las fusiones de agujeros negros supermasivos, como qué tan comunes son, qué los mantiene unidos y otros factores que contribuyen a sus fusiones.

«La gente ha estado tratando de encontrar agujeros negros supermasivos con telescopios durante años», dice Chatzioannou. «Se están acercando y encontrando más candidatos, pero debido a que los agujeros negros están tan juntos, es difícil diferenciarlos. Tener ondas gravitacionales como una nueva herramienta nos ayudará a comprender mejor a estos misteriosos monstruos».

«Este fue un experimento hermoso e improbable: ensamblar un detector de ondas gravitacionales del tamaño de una galaxia que pulsa estrellas muertas a través de nuestra galaxia y reúne a un equipo multidisciplinario de radioastrónomos, expertos en estrellas de neutrones y agujeros negros, y expertos en científicos de ondas gravitacionales». , dice Vallesneri.

Para más información sobre esta investigación:

Referencia: «El conjunto de datos NANOGrav de 15 años: evidencia del trasfondo de ondas gravitacionales» por Gabriela Agazi, Akash Anumarlabudi, Ann M Archibald, Zaven Arzumanian, Paul T. Baker, Pence Pixie, Laura Plecha, Adam Brazier, Paul R. Brock, Sarah Burke-Spollor, Rand Burnett, Robin Case, Maria Charisi, Shami Chatterjee, Katerina Chatzioannou, Belinda DeChesiborough, Siwan Chen, Tyler Cohen, James M. Cordes, Neil G. Cornish, Fronfeld Crawford, H. Katherine Crotter, Curt J. Cutler, Megan E. Dessar, Dallas Deegan, Paul B. Demorest, Healing Ding, Timothy Dolch, Brendan Drachler, Justin A. Ellis, Elizabeth C. Ferrara, William Fury, Emanuel Fonseca, Gabriel E. Friedman, Nate Garver Daniels, Peter A. Gentile, Kyle A. Gersbach, Joseph Glaser, Deborah C. Judd, Kayhan Gultekin, Jeffrey S. Hazboun, Sophie Hourihane, Christina Islow, Ross J. Jones, Andrew R. Kaiser, David L. Kaplan, Luke Zoltan Kelly, Matthew Kerr, Joy SK, Tonya C. Klein, Nima Lal, Michael T. Lamm, William J. Natalia Lewandowska, Tyson B. Littenberg, Tingting Liu, Andrea Lumen, Duncan R. Lorimer, Jing Lu, Ryan S. Lynch, Chong Pei Ma, Dustin R Madison, Margaret A. Mattson, Alexander McQueen, James W. Mackie, Maura A McLaughlin, Natasha McMahon, Bradley W. Myers, Patrick M. Myers, Chiara MF Mingarelli, Andrea Mithridat, Priyamvada Natarajan, Sherry Ng, David G. Ness, Stella Koch-Ocker, Ken D’Olum, Timothy T. Benucci, Benetge BP Perera, Polina Petrov, Nihan S. Pol, Henri A. Radovan, Scott M. Ransom, Paul S. Ray, Joseph D. Romano, Shashwat C. Sardesai, Ann Schmiedekamp, ​​Carl Schmiedekamp, ​​Kai Schmitz, Levi Schult, Brent J. Shapiro Albert, Xavier Siemens, Joseph Simon, Magdalena S Siwick, Ingrid H Steers, Daniel R. Steinbring, Kevin Stovall, Jerry B. TaylorJacob E. Cartas de revistas astrofísicas.
DOI: 10.3847/2041-8213/acdac6

Otros miembros del equipo de Caltech y JPL incluyen al posdoctorado de Caltech Aaron Johnson, quien dirigió un esfuerzo para revisar y validar el código de análisis clave que produjo todos los hallazgos clave; Curt Cutler, científico investigador sénior del JPL, que ayudó a elaborar tratamientos estadísticos de los datos; y la estudiante graduada de Caltech Sophie Hourihane, quien desarrolló un nuevo método para acelerar los análisis de NANOGrav.

Se ha publicado una serie de trabajos de investigación que detallan los nuevos hallazgos de NANOGrav en Cartas de revistas astrofísicas. El artículo que describe la evidencia de las ondas gravitacionales, titulado «El conjunto de datos NANOGrav de 15 años: Evidencia de los antecedentes de las ondas gravitacionales», fue codirigido por dos exinvestigadoras del JPL/Caltech Sarah Vigeland (ahora en la Universidad de Wisconsin, Milwaukee ) y Stephen Taylor (ahora en la Universidad de Vanderbilt).