Els astrònoms troben l’evidència més forta fins ara d’ones gravitatòries de parells de forats negres supermassius
| Article original | Daniel Reardon i Andrew Zic |  |
Quan els forats negres i altres objectes enormement massius i densos giren els uns als altres, emeten ondulacions en l’espai i el temps anomenades ones gravitatòries. Aquestes ones són una de les poques maneres que tenim d’estudiar els enigmàtics gegants còsmics que les creen.Els astrònoms han observat els “xirps” d’alta freqüència dels forats negres en col·lisió, però el soroll d’ultra baixa freqüència dels forats negres supermassius que orbiten entre si s’ha demostrat més difícil de detectar. Des de fa dècades, hem estat observant púlsars, un tipus d’estrella que batega com un far, a la recerca de la lleugera ondulació d’aquestes ones.
Avui, les col·laboracions de recerca de púlsars d’arreu del món, inclosa la nostra, Parkes Pulsar Timing Array, han anunciat l’evidència més sòlida fins ara de l’existència d’aquestes ones.
Què són les ones gravitatòries?
El 1915, el físic d’origen alemany Albert Einstein va presentar una visió innovadora de la natura de la gravetat: la teoria general de la relativitat.
La teoria descriu l’Univers com una “tela” de quatre dimensions anomenada espai-temps que pot es estirar, estrènyer, doblegar-se i torçar-se. Els objectes massius distorsionen aquest teixit per donar lloc a la gravetat.
Una conseqüència curiosa de la teoria és que el moviment d’objectes massius hauria de produir ondulacions en aquest teixit, anomenades ones gravitatòries, que s’estenen a la velocitat de la llum.
Es necessita una quantitat enorme d’energia per crear la més petita d’aquestes ondulacions. Per aquest motiu, Einstein estava convençut que les ones gravitatòries mai s’observarien directament.
Un segle més tard, els investigadors de les col·laboracions LIGO i Virgo van presenciar la col·lisió de dos forats negres, que van enviar un esclat d’ones gravitacionals a tot l’Univers.
Ara, set anys després d’aquest descobriment, els radioastrònoms d’Austràlia, la Xina, Europa, l’Índia i Amèrica del Nord han trobat proves d’ones gravitacionals d’ultra baixa freqüència.
Un lent rebombori d’ones gravitatòries
A diferència de l’esclat sobtat d’ones gravitacionals que es va informar el 2016, aquestes ones gravitatòries d’ultra baixa freqüència triguen anys o fins i tot dècades a oscil·lar.
Es creu que són produïts per parells de forats negres supermassius, que orbiten en els nuclis de galàxies llunyanes a tot l’Univers. Per trobar directament aquestes ones gravitatòries, els científics haurien de construir un detector de la mida d’una galàxia.
O podem utilitzar púlsars, que ja estan repartits per la galàxia, i els polsos dels quals arriben als nostres telescopis amb la regularitat de rellotges precisos.
El radiotelescopi Parkes de CSIRO, Murriyang, Austràlia, ha estat observant una sèrie d’aquests púlsars durant gairebé dues dècades. El nostre equip del Parkes Pulsar Timing Array és una de les diverses col·laboracions arreu del món que avui han anunciat haver trobat pistes d’ones gravitatòries en els seus darrers conjunts de dades.
Altres col·laboracions a la Xina (CPTA), Europa i l’Índia (EPTA i InPTA) i Amèrica del Nord (NANOGrav) veuen senyals similars.
El senyal que busquem és un “oceà” aleatori d’ones gravitatòries produïdes per tots els parells de forats negres supermassius de l’Univers.
Observar aquestes ones no només és un altre triomf de la teoria d’Einstein, sinó que té conseqüències importants per a la nostra comprensió de la història de les galàxies a l’Univers. Els forats negres supermassius són els motors del cor de les galàxies que s’alimenten de gas i regulen la formació estel·lar.
El senyal apareix com un soroll de baixa freqüència, comú a tots els púlsars de la matriu. A mesura que les ones gravitacionals s’estenen sobre la Terra, afecten les taxes de rotació aparents dels púlsars.
L’estirament i la compressió de la nostra galàxia per aquestes ones, en última instància, canvien les distàncies als púlsars en només desenes de metres. Això no és gaire quan els púlsars solen estar a uns 1.000 anys llum de distància (és a dir, a uns 10.000.000.000.000.000.000 metres).
Notablement, podem observar aquests canvis en l’espai-temps com a retards de nanosegons als polsos, que els radioastrònoms poden seguir amb relativa facilitat perquè els púlsars són rellotges naturals tan estables.
Què s’ha anunciat?
Com que les ones gravitacionals d’ultra baixa freqüència triguen anys a oscil·lar, s’espera que el senyal sorgeixi lentament.
Primer, els radioastrònoms van observar un estrèpit comú als púlsars, però es desconeixia el seu origen.
Ara, l’empremta dactilar única de les ones gravitatòries comença a aparèixer com a atribut d’aquest senyal, observat per cadascuna de les col·laboracions de matrius de temporització de púlsars d’arreu del món.
Aquesta empremta digital descriu una relació particular entre la similitud dels retards de pols i l’angle de separació entre parells de púlsars al cel.
La relació sorgeix perquè l’espai-temps a la Terra s’estira, canviant les distàncies als púlsars d’una manera que depèn de la seua direcció. Els púlsars junts al cel mostren un senyal més semblant que els púlsars separats en angle recte, per exemple.
L’avenç ha estat possible gràcies a la millora de la tecnologia dels nostres observatoris. El Parkes Pulsar Timing Array té el conjunt de dades d’alta qualitat més llarg, gràcies al receptor avançat i la tecnologia de processament de senyal instal·lada a Murriyang. Aquesta tecnologia ha permès al telescopi descobrir molts dels millors púlsars utilitzats per col·laboracions d’arreu del món per a la recerca d’ones gravitatòries.
Els resultats anteriors de la nostra col·laboració i d’altres van mostrar que el senyal esperat de les ones gravitatòries faltava a les observacions del púlsar.
Ara, sembla que estem veient el senyal amb relativa claredat. En segmentar el nostre conjunt de dades llarg en “tall temporals” més curtes, mostrem que el senyal sembla que creix amb el temps. Es desconeix la causa subjacent d’aquesta observació, però pot ser que les ones gravitatòries es comporten de manera inesperada.
La nova evidència d’ones gravitacionals d’ultra baixa freqüència és emocionant per als astrònoms. Per confirmar aquestes signatures, les col·laboracions globals hauran de combinar els seus conjunts de dades, la qual cosa augmenta la seua sensibilitat a les ones gravitatòries moltes vegades.
Els esforços per produir aquest conjunt de dades combinats estan en curs en el marc del projecte International Pulsar Timing Array, els membres del qual es van reunir a Port Douglas, a l’extrem nord de Queensland, la setmana passada. Els futurs observatoris, com el Square Kilometer Array en construcció a Austràlia i Sud-àfrica, convertiran aquests estudis en una rica font de coneixement sobre la història del nostre Univers.