Investigaciones recientes sugieren que las ondas gravitacionales de ultra-baja frecuencia están atravesando el cosmos, un fenómeno observado por colaboraciones internacionales de análisis de tiempos de pulsares en 2023. El hallazgo podría provenir de un fondo estocástico de ondas gravitacionales —la suma de numerosas fuentes distantes— o de un par cercano de agujeros negros supermasivos.
Un método innovador para identificar la fuente de ondas gravitacionales
Para diferenciar entre estas dos posibilidades, Hideki Asada, físico teórico y profesor en la Universidad de Hirosaki, y Shun Yamamoto, investigador en la misma institución, han propuesto un método que aprovecha el fenómeno de los «beats» o interferencias entre ondas gravitacionales de frecuencias casi idénticas, buscando su huella en los ligeros cambios en los tiempos de llegada de los pulsos de los pulsars.
Los pulsars son estrellas de neutrones que emiten pulsos de radio a intervalos regulares, funcionando como «relojes cósmicos» extremadamente precisos. Los telescopios de radio en la Tierra monitorean su periodicidad, no solo para estudiar los propios pulsars, sino también para utilizarlos como herramientas que permiten investigar el universo.
Si algo invisible, casi como un «fantasma cósmico», distorsiona el espacio-tiempo en la trayectoria desde un pulsar hacia la Tierra, la regularidad de los pulsos se ve alterada. Esta anomalía no es aleatoria: desviaciones similares aparecen en pulsars de ciertas regiones del cielo, como si una ondulación estuviera recorriendo el espacio.
En 2023, varias colaboraciones de análisis de tiempos de pulsars, como NANOGrav en Estados Unidos y equipos europeos, anunciaron pruebas sólidas de ondas gravitacionales en la escala de nanohertz. Este término se refiere a períodos de onda que van de meses a años, con longitudes de onda que pueden extenderse varios años luz. Para investigar tales escalas, es necesario contar con pulsars lejanos y estables, situados a cientos o miles de años luz de distancia.
Asada señala que el señal observado es estadísticamente confiable, aunque no alcanza el umbral de 5-sigma que los físicos de partículas suelen requerir. Se trata de una «fuerte evidencia», pero no de una detección confirmada; sin embargo, la comunidad de cosmología y astrofísica considera que estamos cerca de la primera detección de ondas gravitacionales en la escala de nanohertz.
Por ahora, la certeza está por debajo de este estándar de oro; si los datos futuros la corroboran, el siguiente desafío será identificar la fuente. Existen dos fuentes principales candidatas para las ondas gravitacionales de nanohertz: la inflación cósmica, que habría creado fluctuaciones en el espacio-tiempo en el universo primitivo, y los pares de agujeros negros supermasivos, que se forman cuando las galaxias se fusionan.
La dificultad radica en que los patrones de correlación en los datos de pulsars —la forma en que los residuos de tiempo de diferentes pulsars se correlacionan— se pensaba que lucían de manera similar en ambos casos. En su artículo, Asada y Yamamoto exploran la posibilidad de que un par cercano de agujeros negros supermasivos produzca una señal especialmente intensa. Si dos sistemas de este tipo tienen frecuencias muy similares, sus ondas pueden interferir y crear un patrón de «beats», similar al que se observa en la acústica. Esa característica podría, en principio, permitir distinguir entre el fondo estocástico de la inflación y la señal específica de los agujeros negros.
Asada y Yamamoto, por tanto, aprovechan un efecto acústico familiar: los beats. Cuando dos ondas tienen frecuencias casi idénticas, su superposición produce un fortalecimiento y debilitamiento periódico. Aplicado a las ondas gravitacionales, dos pares de agujeros negros supermasivos con frecuencias similares imprimirían una modulación característica en la señal de temporización de los pulsars. El método consiste en buscar esta modulación —el «beat»— en los patrones de correlación de los pulsars. Si está presente, sugiere fuertemente que la señal no proviene de un fondo difuso, sino de pares relativamente cercanos.
Asada concluye que una vez que se logre una detección confirmada en el umbral de 5-sigma, posiblemente en los próximos años, el siguiente paso será indagar sobre el origen de las ondas. En ese momento, su método podría ser útil para distinguir si provienen de la inflación o de pares cercanos de agujeros negros supermasivos.
