Una danza de agujeros negros supermasivos crea un zumbido de fondo que atraviesa todo el Universo

Los científicos han comprobado que el Universo está zumbando con radiación gravitacional, un estruendo de muy baja frecuencia que estira y comprime rítmicamente el espacio-tiempo y la materia incrustada en él. Se trata de la primera comprobación de la existencia de ondas gravitacionales de fondo cósmico o de frecuencias muy bajas. Hasta el momento, la hipótesis más convincente sugiere que este zumbido de fondo es causado por colisiones entre abismales agujeros negros supermasivos y enormes galaxias. 

Una colaboración internacional de científicos liderada por la Universidad de California en Berkeley, en Estados Unidos, sostiene en un nuevo estudio publicado recientemente en The Astrophysical Journal Letters que existen evidencias contundentes sobre la presencia de un fondo de ondas gravitacionales (GWB) de baja frecuencia, que se extiende por todo el cosmos. Los investigadores creen que la señal proviene de una población de binarios de agujeros negros supermasivos (SMBH), distribuidos por todo el Universo.

Pulsaciones extremadamente precisas y pares de agujeros negros supermasivos

15 años de observaciones de púlsares de milisegundos, estrellas de neutrones que giran rápidamente y mantienen una frecuencia de pulsación precisa en décimas de milisegundos, permitieron confirmar la presencia de las ondas gravitacionales de baja frecuencia. El hallazgo fue posible gracias al trabajo del Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav), que observó minuciosamente estos púlsares dentro de la Vía Láctea y sus alrededores. 

El equipo de NANOGrav argumenta en el nuevo estudio que el zumbido probablemente sea producido por cientos de miles de pares de agujeros negros supermasivos, cada uno con un peso de miles de millones de veces la masa de nuestro Sol. A lo largo de la historia del Universo, estos colosales agujeros negros se han acercado lo suficiente como para fusionarse, al igual que las gigantescas galaxias que los contienen, en una danza cósmica que terminó produciendo el fondo de ondas gravitacionales que ha podido detectarse.

 "Si confirmamos definitivamente que se trata de binarios, entonces será la primera vez que verificamos que existen binarios o pares de agujeros negros supermasivos, lo que ha sido un gran rompecabezas para la ciencia durante más de 50 años", indicó en una nota de prensa el físico Luke Zoltan Kelley, uno de los autores principales del estudio. De esta manera, a la comprobación del fondo de ondas gravitacionales de baja frecuencia se sumaría la evidencia sobre los binarios de agujeros negros supermasivos, que además podrían ser más grandes de lo predicho por las teorías actuales: llegarían en forma individual a 40.000 ó 60.000 millones de masas solares.

Vibraciones acumuladas en el tiempo

Para llegar a estas conclusiones, el equipo produjo simulaciones de poblaciones binarias de agujeros negros supermasivos que contenían miles de millones de fuentes y comparó las firmas de ondas gravitacionales predichas con las observaciones más recientes de NANOGrav. Descubrieron que la danza orbital de los agujeros negros antes de fusionarse hace vibrar el espacio-tiempo: a lo largo de los 13.800 millones de años de la historia del Universo, estas vibraciones produjeron ondas gravitacionales, que hoy se superponen de una forma similar a las ondas producidas al arrojar una piedra a un estanque, generando el zumbido de fondo cósmico.

Las ondas gravitacionales fueron detectadas por primera vez por el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO), en 2015. Pero se trata de fluctuaciones de longitud de onda corta en el espacio-tiempo, que fueron causadas por la fusión de agujeros negros más pequeños, con un peso de alrededor de cientos de masas solares. Al apreciar que existen fluctuaciones más largas, que se extienden por períodos de años a décadas, los científicos se preguntaron si podían ser causadas también por agujeros negros, pero en este caso mucho más grandes. 

Como las longitudes de onda de estas ondas gravitacionales se miden en años luz, para detectarlas se requirió una “colección” de púlsares de milisegundos, que funcionaron como una enorme “antena” para que NANOGrav pudiera concretar su descubrimiento. Aunque aún se requieren nuevas observaciones para confirmar esta teoría, las simulaciones de fusiones de galaxias sugieren que los agujeros negros supermasivos binarios serían comunes, ya que los agujeros negros centrales de dos galaxias fusionadas deberían hundirse juntos, hacia el centro de la galaxia más grande.

Referencia

The NANOGrav 15 yr Data Set: Constraints on Supermassive Black Hole Binaries from the Gravitational-wave Background. Luke Zoltan Kelley, Gabriella Agazie et al. The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI:https://www.doi.org/10.3847/2041-8213/ace18b