Cómo los rayos gamma de púlsares distantes muestran ondas en el tejido del espacio-tiempo

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, está en curso de colisión.

Pero no contengas la respiración.

En unos 4500 millones de años, la Vía Láctea y su vecino galáctico más cercano, Andrómeda, se fusionarán. Estas galaxias, como todas las demás, tienen cada una un agujero negro supermasivo en su centro. A medida que la gravedad los acerca más y más, es casi seguro que los agujeros negros comenzarán a orbitar entre sí.

Estos objetos contienen tanta materia (el agujero negro de la Vía Láctea es aproximadamente cuatro millones de veces más masivo que el Sol) que su danza enviará una onda en espiral a través del tejido del espacio-tiempo.

Los cosmólogos llaman a esas ondas "ondas gravitacionales". Pueden rodar por el universo durante mucho, mucho tiempo.

en un ella estudia publicado el jueves en la revista académica CienciaUn equipo de investigadores informa sobre cómo utilizaron nuestra galaxia como un gigantesco instrumento científico para detectar antiguas ondas gravitacionales que han cruzado el universo desde que las primeras galaxias comenzaron a fusionarse hace miles de millones de años.

"Estas ondas en el espacio-tiempo se fusionan... y eventualmente producen este fondo de ondas gravitacionales de longitud de onda extremadamente larga", dijo el cosmólogo. Aditya Parthasarathydijo un coautor del nuevo estudio ES DECIR.

Este es el primer estudio que utiliza rayos gamma, radiación electromagnética en su forma más energética, para medir el fondo de la onda gravitacional.

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    Nuestra galaxia está llena de estrellas muertas que mantienen un clima perfecto

    Si la gravedad se saliera con la suya, la masa de una estrella por sí sola haría que colapsara inmediatamente. Y eso es exactamente lo que les sucede a las estrellas de cierta masa cuando comienzan a crear átomos tan pesados ​​que al fusionarlos no crean suficiente energía para repeler al paciente, comprimiendo la presión de la gravedad. Tan pronto como toma el control, la propia gravedad de la estrella la envía a un violento colapso-explosión que produce un pequeño agujero negro o un haz de materia muy denso llamado estrella de neutrones.

    Las estrellas de neutrones giran muy rápido y algunas de ellas emiten un haz caótico de radiación que incluye desde ondas de radio de baja energía hasta fotones de rayos gamma de alta energía.

    Por eso es importante para estudiar ondas gravitacionales de miles de millones de años: el rayo no tiene que apuntar necesariamente a lo largo del eje de rotación de la estrella de neutrones. La mayor parte del tiempo, barre el cielo como la luz giratoria encima de un viejo camión de bomberos. Esto significa que los astrónomos terrestres que observan desde lejos solo pueden "ver" la luz cuando se apunta más o menos directamente a la Tierra. Desde esa perspectiva, el objeto parece un pulso rápido de luz, razón por la cual ese tipo de estrella de neutrones se llama púlsar.

    "Puedes imaginar un púlsar como un faro en la galaxia", dice Parthasarathy.

    "Algunos tipos de púlsares, llamados púlsares de milisegundos, giran muy, muy rápido y con mucha, mucha precisión", dice Parthasarathy. "Podemos saber, en base a un modelo muy simple de la rotación del púlsar, exactamente cuándo esperar el pulso".

    Estos rápidos destellos de luz son una valiosa fuente de información para los cosmólogos, especialmente cuando parpadean cientos de veces por segundo. Los investigadores han encontrado más de 400 de estos púlsares de milisegundos dispersos por la Vía Láctea. Alrededor de un tercio de ellos emiten rayos gamma que son útiles para Parthasarathy y sus colegas investigadores.

    “La mayoría de esos 130 [pulsars] no son lo suficientemente inteligentes para hacer este tipo de análisis, así que bajemos a 30 ”, astrofísico mateo kerrle dice a otro coautor ES DECIR.

    Durante casi 14 años, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi ha estado orbitando la Tierra a una altitud de unas cien millas más alta que la Estación Espacial Internacional, recopilando silenciosamente evidencia de rayos gamma para investigadores de todo el mundo.

    “Cuando los rayos gamma ingresan a nuestro detector, no lo enfocamos ni nada por el estilo. Golpea el núcleo de un átomo en algún lugar y prácticamente explota ", dice Kerr. En realidad, solo crea una lluvia de partículas en nuestro detector y recreamos la dirección original de la partícula".

    "Hace un par de años nos dimos cuenta de que si buscáramos estas ondas gravitacionales con nuestros datos de rayos gamma, en realidad estaríamos en el mismo campo de juego que [the network of radio telescopes on Earth that monitor pulsars by detecting lower-frequency radio waves]. Esto fue como una especie de sorpresa para nosotros porque realmente no habíamos pensado en hacerlo antes ”, dice.

    La noticia de las colisiones de agujeros negros viaja muy lejos

    Hora de encoger. Salida. Casi todos los púlsares jamás detectados, y absolutamente todos los que sirven como faros celestiales para los astrónomos, se encuentran dentro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Los pulsos de luz llegan a la Tierra después de viajes de miles de años. Esto se debe a que la luz, que viaja muy rápido, también tarda en recorrer grandes distancias.

    Pero en el esquema de las cosas, miles de años luz no están tan lejos y miles de años en el pasado no están tan lejos.

    Hace miles de millones de años, antes de que se formara la Tierra, ya giraban galaxias enteras. De vez en cuando, la gravedad atraería a dos de estas galaxias una hacia la otra.

    "Sabemos que en el corazón de las galaxias enormes hay un agujero negro supermasivo", dice Parthasarathy. "En el Universo primitivo, se fusionaron enormes galaxias, lo que significa que esto [their] También se fusionaron agujeros negros supermasivos”.

    Se cree que esto sucedió con bastante frecuencia a lo largo de la historia cósmica. Pero estas no son colisiones directas. En cambio, los agujeros negros se orbitan entre sí durante algún tiempo antes de caer en la gravedad del otro. Probablemente. Los detalles de cómo se desarrolla este final del juego (los cosmólogos lo llaman el "problema del parsec final") aún no se entienden. Los resultados de investigaciones como esta podrían aclarar la confusión.

    Los agujeros negros supermasivos son tan masivos, que a menudo contienen cientos de millones o miles de millones de veces la cantidad de materia del Sol, que orbitan entre sí a una gran distancia. Puede tomar un período de muchos años para que una pareja haga una revolución completa alrededor del otro.

    Esa cantidad de masa moviéndose en el espacio hace algo tan difícil de imaginar que fue literalmente Albert Einstein quien, hace poco más de un siglo, predijo por primera vez que tal cosa podría suceder.

    "Cada vez que un par de agujeros negros supermasivos se fusionan, crean ondas en el espacio-tiempo", dice Parthasarathy.

    Kerr describe el fenómeno como "cambio de curvatura" o "flexión" del espacio-tiempo.

    Estrictamente hablando, no son solo las fusiones de agujeros negros supermasivos las que causan tal perturbación. "Cuando la materia se acelera, genera ondas gravitacionales", dice Kerr. Incluso una persona que mueve la mano genera una onda gravitacional infinitamente pequeña. La razón por la que los cosmólogos se enfocan en las fusiones de agujeros negros es que son algunos de los pocos eventos que involucran suficiente masa para crear ondas lo suficientemente grandes en el espacio-tiempo para ser detectadas incluso por la tecnología más avanzada.

    Los cosmólogos comenzaron a detectar ondas gravitacionales hace menos de una década

    Las primeras ondas gravitatorias detectadas por los astrofísicos provinieron de una colisión mucho más pequeña. Solo han pasado siete años desde que un observatorio diseñado para monitorear cuánto tardan los fotones en recorrer la longitud de un tubo de 2,5 millas de largo (en realidad, dos tubos, operando al unísono), notó que el viaje duró un poco más de lo normal. Dado que la velocidad de la luz es siempre la misma, el cambio debe deberse a la distancia recorrida por esos fotones. Después de una gran cantidad de confirmaciones, los investigadores concluyeron que el observatorio, ubicado en los estados de Luisiana y Washington y conocido colectivamente como LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser)debe haber detectado una onda gravitatoria.

    "LIGO ve agujeros negros y estrellas de neutrones, cosas sobre la masa de nuestro Sol, a medida que se juntan", dice Kerr. “Cuando se juntan, emiten grandes cantidades de ondas gravitacionales [at a very high frequency]. "

    Los tubos de LIGO tienen aproximadamente 2,5 millas de largo porque esta es la escala en la que los teóricos esperaban que tales ondas se midieran más fácilmente.

    "Cuando LIGO busca agujeros negros de masa estelar, la longitud de onda de las ondas gravitacionales producidas es del orden de unas pocas decenas o cientos de kilómetros entre las crestas de las ondas, lo que significa que realmente se necesitan brazos de un kilómetro de largo para detectar esas ondas". dice Parthasarathy.

    Pero las ondas gravitacionales creadas por los agujeros negros supermasivos son una historia diferente.

    "Estamos buscando agujeros negros que tengan cientos de millones y miles de millones de veces la masa del Sol", dice Kerr. "Estas ondas son de muy baja frecuencia... se necesitan años para que una onda pase por un ciclo".

    "Cuanto más largas sean las ondas gravitacionales que intentas buscar, más grande es el detector que necesitas", dice Parthasarathy.

    Aquí es donde entran en juego los púlsares

    “Si quieres detectar estas cosas, necesitas detectores del tamaño de una galaxia. No tenemos la tecnología... para construir detectores del tamaño de una galaxia”, dice Parthasarathy.

    “Lo interesante es que puedes usar relojes, como púlsares en toda la galaxia, para hacer eso. [the same kind of] para experimentar. Puedes pensar en tu línea de visión en cada púlsar como un brazo LIGO”, dice.

    Así como los investigadores de LIGO saben exactamente cuánto tiempo les tomaría a los fotones recorrer la longitud del brazo de 2,5 millas, los astrónomos saben exactamente cuánto tiempo les tomaría a los fotones de cada púlsar viajar desde ese punto de la galaxia hasta el detector en la Tierra.

    “Cuando el fondo de la onda gravitacional pasa a través de una de las líneas de visión [between a pulsar and Earth]la hora de llegada de ese púlsar [will be] tarde o temprano que una mil millonésima de segundo”, dice Parthasarathy.

    “Porque estas ondas gravitacionales están doblando el espacio-tiempo mismo y provocando que los caminos de la luz sean ligeramente diferentes, dependiendo de la onda gravitacional exacta entre nosotros y ellos”, dice Kerr. "Estamos buscando estas pequeñas variaciones en los tiempos de llegada de los púlsares".

    Con la ayuda de las computadoras, los investigadores pueden juntar las observaciones de las docenas de púlsares que están monitoreando para completar el panorama general.

    "Puedes comenzar a ver este patrón a través de múltiples líneas de visión... y cuando detectas ese cambio en el tiempo de llegada entre múltiples púlsares, crees que has detectado un fondo de ondas gravitacionales", dice.

    El agarre de gravedad guarda secretos increíbles.

    Esta nueva investigación arroja luz sobre eventos que sucedieron hace miles de millones de años. ¿Cuántas galaxias había? ¿Cómo se distribuyeron por todo el Universo? ¿Cómo han crecido y cambiado con el tiempo? ¿Cómo se comportan los agujeros negros supermasivos cuando entran en contacto entre sí? ¿Con qué frecuencia ocurren estos eventos?

    Las ondas gravitacionales que estos increíbles eventos enviaron a través del espacio sirven como registros de nuestro pasado cósmico que eran completamente ilegibles hasta hace unos años. También ofrecen sugerencias sobre nuestro futuro cósmico.

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