Uno de los logros más espectaculares en física hasta ahora en este siglo ha sido la observación de ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo que resultan de las masas que se aceleran en el espacio. Hasta ahora, ha habido cinco detecciones de ondas gravitacionales, gracias a laObservatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser LIGO y, más recientemente, el detector europeo de ondas gravitacionales Virgo. Mediante estas instalaciones, los científicos han podido precisar las señales extremadamente sutiles de agujeros negros relativamente pequeños y, a partir de octubre, las estrellas de neutrones.
Pero hay objetos fusionados mucho más grandes cuyas señales de ondas gravitacionales aún no se han detectado: agujeros negros supermasivos, más de 100 millones de veces más masivos que nuestro Sol. La mayoría de las galaxias grandes tienen un agujero negro supermasivo central. Cuando las galaxias colisionan, su centroLos agujeros negros tienden a girar en espiral uno hacia el otro, liberando ondas gravitacionales en su danza cósmica.Al igual que un animal grande como un león produce un rugido más profundo que el chirrido de un pequeño ratón, la fusión de agujeros negros supermasivos crea ondas gravitacionales de menor frecuencia que el relativamente pequeño negro.agujeros LIGO y experimentos similares en tierra pueden detectar.
"Observar ondas gravitacionales de baja frecuencia sería similar a poder escuchar cantantes de bajos, no solo sopranos", dijo Joseph Lazio, científico jefe de la Red de Espacio Profundo de la NASA, con sede en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Pasadena, California, y compañía-autor de un nuevo estudio en Astronomía de la naturaleza .
Para explorar esta área inexplorada de la ciencia de las ondas gravitacionales, los investigadores no buscan máquinas hechas por el hombre, sino un experimento natural en el cielo llamado matriz de temporización de púlsar. Los púlsares son restos densos de estrellas muertas que emiten regularmente haces de ondas de radio,Es por eso que algunos los llaman "faros cósmicos". Debido a que su pulso rápido de emisión de radio es tan predecible, se puede usar una gran variedad de púlsares bien entendidos para medir anormalidades extremadamente sutiles, como las ondas gravitacionales. El Observatorio Nanohertz de América del Norte paraOndas Gravitacionales NANOGrav, un Centro de la Frontera de Física de la National Science Foundation, es uno de los principales grupos de investigadores que usan púlsares para buscar ondas gravitacionales.
El nuevo Astronomía de la naturaleza el estudio se refiere a binarios de agujeros negros supermasivos: sistemas de dos de estos monstruos cósmicos. Por primera vez, los investigadores examinaron el universo local en busca de galaxias con probabilidad de albergar estos binarios, luego predijeron qué pares de agujeros negros son los más propensos a fusionarse y ser detectadosmientras lo hace. El estudio también estima cuánto tiempo llevará detectar una de estas fusiones.
"Al expandir nuestra matriz de sincronización de púlsar en los próximos 10 años más o menos, existe una alta probabilidad de detectar ondas gravitacionales de al menos un binario supermasivo de agujero negro", dijo Chiara Mingarelli, autora principal del estudio, quien trabajó en esta investigación comobecario postdoctoral Marie Curie en Caltech y JPL, y ahora está en el Flatiron Institute en Nueva York.
Mingarelli y sus colegas utilizaron datos de 2 Micron All-Sky Survey 2MASS, que examinó el cielo de 1997 a 2001, y las tasas de fusión de galaxias del proyecto de simulación Illustris, un esfuerzo para hacer simulaciones cosmológicas a gran escala.En una muestra de alrededor de 5,000 galaxias, los científicos descubrieron que alrededor de 90 tendrían agujeros negros supermasivos con mayor probabilidad de fusionarse con otro agujero negro.
Mientras que LIGO y experimentos similares detectan objetos en los últimos segundos antes de fusionarse, los conjuntos de temporización de púlsar son sensibles a las señales de ondas gravitacionales de los agujeros negros supermasivos que están en espiral entre sí y no se combinarán durante millones de años. Esto se debe a que las galaxias fusionan cientosmillones de años antes de que los agujeros negros centrales que albergan se combinen para hacer un agujero negro supermasivo gigante.
Los investigadores también descubrieron que si bien las galaxias más grandes tienen agujeros negros más grandes y producen ondas gravitacionales más fuertes cuando se combinan, estas fusiones también suceden rápidamente, acortando el período de tiempo para la detección. Por ejemplo, los agujeros negros que se fusionan en la gran galaxia M87 tendrían un 4de millones de años de detección. Por el contrario, en el Sombrero Galaxy más pequeño, las fusiones de agujeros negros generalmente tardan unos 160 millones de años, ofreciendo más oportunidades para que los arreglos de temporización de pulsos detecten ondas gravitacionales de ellos.
Las fusiones de agujeros negros generan ondas gravitacionales porque, a medida que se orbitan entre sí, su gravedad distorsiona el tejido del espacio-tiempo, enviando ondas hacia todas las direcciones a la velocidad de la luz. Estas distorsiones en realidad cambian la posición de la Tierra y los púlsares.tan levemente, lo que resulta en una señal característica y detectable del conjunto de faros celestes.
"Una diferencia entre cuándo deben llegar las señales del púlsar y cuándo llegan, puede indicar una onda gravitacional", dijo Mingarelli. "Y dado que los púlsares que estudiamos están a unos 3.000 años luz de distancia, actúan como un galáctico-detector de ondas gravitacionales a escala "
Debido a que todos los agujeros negros supermasivos son tan distantes, las ondas gravitacionales, que viajan a la velocidad de la luz, tardan mucho en llegar a la Tierra. Este estudio analizó los agujeros negros supermasivos dentro de aproximadamente 700 millones de años luz, lo que significa ondas de unLa fusión entre dos de ellos tardaría tanto tiempo en ser detectada aquí por los científicos. En comparación, hace unos 650 millones de años, las algas florecieron y se propagaron rápidamente en los océanos de la Tierra, un evento importante para la evolución de una vida más compleja.
Quedan muchas preguntas abiertas sobre cómo se fusionan las galaxias y qué sucederá cuando la Vía Láctea se acerque a Andrómeda, la galaxia cercana que colisionará con la nuestra en unos 4 mil millones de años.
"La detección de ondas gravitacionales de fusiones de agujeros negros de mil millones de masas solares ayudará a desbloquear algunos de los acertijos más persistentes en la formación de galaxias", dijo Leonidas Moustakas, un científico investigador del JPL que escribió un artículo adjunto en la revista "News and Views"..
2MASS fue financiado por la Oficina de Ciencias Espaciales de la NASA, la Fundación Nacional de Ciencias, el Observatorio Naval de EE. UU. Y la Universidad de Massachusetts. JPL administró el programa para la Oficina de Ciencias Espaciales de la NASA, Washington. Los datos se procesaron en IPAC en Caltech en Pasadena,California.
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Materiales proporcionado por NASA / Laboratorio de Propulsión a Chorro . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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