Ocultos en las profundidades del espacio hay pares de agujeros negros, cada uno con millones o miles de millones de masas solares que orbitan entre sí y generan ondas gravitacionales de frecuencia especialmente baja. Los púlsares pueden ayudar a detectarlas.

Varios equipos de investigación han analizado los datos de medición de los púlsares, algunos de los cuales se venían registrando durante décadas con radiotelescopios. En artículos que aparecen en la revista Astronomy and Astrophysics, concluyen que cada vez hay más pruebas de la existencia de ondas gravitacionales emitidas por un gran número de pares de agujeros negros muy pesados.

La nueva señal que debe existir

En 2015 se produjo un gran avance cuando finalmente se detectaron ondas gravitacionales de agujeros negros en colisión con interferómetros láser. En 2020, esta investigación incluso ganó el Premio Nobel de Física. Sin embargo, los agujeros negros de estas primeras señales son más bien pequeños, con unas pocas decenas de masas solares. Sus parientes más pesados, con millones o miles de millones de masas solares en los centros de las galaxias, también deberían acercarse cuando colisionen. En algún momento, orbitan entre sí tan estrechamente que el periodo orbital es sólo del orden de décadas, años o incluso meses.

Durante este movimiento de los pesos pesados, se generan ondas gravitacionales como resultado de la aceleración de las masas. Esto es lo que dice la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. A diferencia de las ondas gravitacionales con frecuencias de varios cientos de hercios medidas hasta ahora, las señales de los gigantes son de frecuencia mucho más baja y se sitúan en el rango de las milmillonésimas de hercio o nanohercio.

Debe de haber innumerables pares de agujeros negros extremadamente masivos a diferentes distancias, orbitando entre sí de esta forma y acabando por fusionarse para formar un agujero mayor. Procedentes de diferentes direcciones, las numerosas ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz y se superponen. Esto crea una señal común: el fondo de ondas gravitacionales. Hasta ahora no se ha detectado porque los interferómetros láser de ondas gravitacionales habituales en la Tierra son ciegos a esta forma de onda. Sólo los interferómetros láser espaciales y de gran tamaño, como el proyectado proyecto LISA, serán sensibles a ella, pero LISA no volará hasta finales de la década de 2030.

Medir las ondas de Einstein con púlsares

Existe, sin embargo, un método completamente diferente para detectar las ondas gravitacionales de baja frecuencia. Uno especialmente ingenioso es el que utiliza púlsares. Estos restos de explosiones estelares son en realidad estrellas de neutrones en rápida rotación, diminutas esferas compactas de unos 20 kilómetros de diámetro que combinan unas dos masas solares. Como faros, emiten radiaciones de radio direccionales que pueden chocar accidentalmente con la Tierra. Los astrónomos las observan entonces como púlsares. Debido a la rotación constante de las estrellas de neutrones, los púlsares emiten pulsos de radio con extrema precisión, como un reloj. Un conjunto de púlsares (Pulsar Timing Arrays, PTA), cada uno de los cuales se encuentra a muchos años luz de nosotros, puede utilizarse para detectar ondas gravitacionales: cuando una onda espacio-temporal atraviesa el conjunto de púlsares, las distancias de los púlsares a la Tierra cambian. Parecen desincronizarse durante un breve espacio de tiempo. Esto puede medirse.

Una nueva forma de onda

Con toda una serie de radiotelescopios, muchos equipos de todo el mundo vigilan constantemente algunos púlsares lejanos. Mientras tanto, han obtenido conjuntos de datos que llegan hasta 25 años en el pasado. Este tesoro de datos contiene valiosa información sobre cómo se movían los púlsares en relación con la Tierra. Los análisis de correlación revelan entonces las ondas gravitacionales como una débil señal de ruido. Lo especial de las distorsiones espacio-temporales es que son de onda bastante larga. Esto se debe al tamaño de los grandes agujeros negros de las galaxias y al hecho de que orbitan entre sí a distancias relativamente grandes. Se trata de una señal zumbante a bajas frecuencias, muchos órdenes de magnitud por debajo de todo lo que se ha medido hasta ahora.Esfuerzos internacionales

Los radioastrónomos llevan décadas buscando esta señal de fondo de ondas gravitacionales. EPTA designa un PTA que la busca con las cinco antenas de radio más grandes de Europa. El consorcio incluye el radiotelescopio de 100 metros de Effelsberg, cerca de Bonn (Alemania), el telescopio Lovell del Observatorio de Jodrell Bank (Reino Unido), el radiotelescopio de Nançay (Francia), el radiotelescopio de Cerdeña (Italia) y el radiotelescopio de síntesis de Westerbork (Países Bajos).
Además, existen en todo el mundo el Pulsar Timing Array australiano PPTA, el CPTA chino y el NANOGrav norteamericano. Se han coordinado entre sí y ahora anuncian resultados similares en sus publicaciones.

Las observaciones europeas se complementaron con datos adicionales del Radiotelescopio Gigante de Ondas Métricas (GMRT) del conjunto indio InPTA. Los resultados actuales del EPTA corresponden a un grupo de 25 púlsares seleccionados por ser los más sensibles a un fondo de ondas gravitacionales.

La verdad está ahí fuera

Hace ya dos años, las pistas se espesaron porque se encontró un ruido común en todos los púlsares monitorizados. En aquel momento aún se desconocía su causa. Entretanto, la situación de los datos permite identificar como causa pares de agujeros negros extremadamente masivos. No obstante, los equipos se muestran cautos y aún no hablan de un descubrimiento definitivo, porque la significación estadística aún no es suficiente. Esto sólo mejorará con más datos de medición.

En el marco del International Pulsar Timing Array (IPTA), se combinarán los datos de medición de 13 radiotelescopios registrados en más de 100 púlsares. Cada púlsar contará entonces con 10 000 observaciones. Esta cooperación ya está en marcha. Se espera que pronto se pueda demostrar la existencia del zumbido de fondo de las ondas gravitacionales.

REFERENCIA

The second data release from the European Pulsar Timing Array. I. The dataset and timing analysis