Qué es el murmullo del Big Bang y por qué es tan importante

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Big Bang, conceptual image. Computer illustration representing the origin of the universe. The term Big Bang describes the initial expansion of all the matter in the universe from an infinitely compact state 13.7 billion years ago. The initial conditions are not known, but less than a second after the beginning, temperatures were trillions of degrees Celsius and the primordial universe was much smaller than an atom. It has been expanding and cooling ever since. Matter formed and coalesced into the galaxies, which are observed to be moving away from each other. Background radiation in the universe is considered a remnant of the Big Bang.

A qué nos referimos cuando hablamos del murmullo del Big Bang y por qué es tan importante

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Recreación artística de púlsares afectados por ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos agujeros negros supermasivos. Aurore Simonet / NANOGrav, CC BY-SA
Oscar del Barco Novillo, Zaragoza's University

Tras 15 años recopilando datos mediante los mayores radiotelescopios del mundo (y empleando un observatorio virtual del tamaño de nuestra galaxia), los investigadores del Observatorio de Nanohercios de Ondas Gravitacionales de América del Norte (NANOGrav) han dado a conocer un hallazgo impresionante: la detección de un fondo cósmico (un murmullo milagrosamente perceptible) de ondas gravitacionales asociadas a los eventos más violentos del universo.

Han averiguado cómo ver la pantalla del cosmos en la que tuvieron lugar acontecimientos de tal dimensión, que hasta hoy ni siquiera en la mitología han sido narrados.

¿De dónde procede el murmullo detectado?

Según los autores del estudio, estas ondas sutiles a nuestros oídos tecnológicos pudieron originarse por la fusión de agujeros negros supermasivos (con masas de hasta miles de millones de veces la de nuestro Sol) cuando comenzaron a girar rápidamente unos alrededor de los otros. Otra hipótesis sugiere su formación durante el período de inflación del universo, unos mil millones de años después del Big Bang.

Para identificarlas, los científicos se han basado en el efecto nano diminuto que producen unos objetos cósmicos extraordinarios: los pulsars.

Los púlsares son relojes astrofísicos extraordinariamente precisos y sirven como peculiares metrónomos cósmicos. Son remanentes de estrellas muertas que giran a gran velocidad emitiendo un pulso de radio en cada giro. Al girar tan rápidamente (y situarse en nuestra línea de visión), un observador en la Tierra percibe un haz que se repite miles de veces por segundo, permitiendo medir el tiempo con una precisión mayor que la de un reloj atómico.

El fabuloso hallazgo ha sido que las ondas gravitacionales producen sobre ellos un efecto inadmisible para un relojero: atrasan o adelantan su giro.

Recreación de un pulsar animado de un rápido movimiento de rotación. Los haces verdes corresponden a estrechas señales de radio, mientras que los violeta constituyen la emisión de radiación gamma. Si tienen una orientación favorable, los haces de radiación gamma (de color violeta y muy energéticos) pueden medirse desde observatorios terrestres. Créditos: NASA.

Cuando el espacio-tiempo se deforma

Las ondas gravitacionales, predichas por Einstein hace 100 años, son perturbaciones del espacio-tiempo, parecidas a las ondas de agua en la superficie de un estanque, que se propagan a la velocidad de la luz. Aunque están relacionadas con fenómenos extremadamente violentos en el universo (como la fusión de agujeros negros), la señal que llega a nosotros es muy tenue y hasta el año 2015 no se detectaron (lo que supuso un hallazgo histórico y un Premio Nobel).

Interpretación artística de ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos agujeros negros. Créditos: LIGO/T. Pyle.

En aquel año crucial para la astrofísica, los detectores de ondas gravitacionales LIGO (Estados Unidos) y Virgo (Europa) revolucionaron la forma de ver el universo: registraron una señal de menos de un segundo procedente de la colisión entre dos agujeros negros (con una masa diez veces superior a la del Sol).

La siguiente animación muestra cómo operan los observatorios LIGO y Virgo. Cuando una onda gravitacional pasa por la Tierra, el espacio se estira y comprime, deformando ínfimamente los brazos de los detectores (de 4 kilómetros de longitud).

Estos observatorios utilizan láseres, espejos e instrumentos extremadamente sensibles que detectan estos pequeños cambios en la longitud de los brazos (de hasta la diezmilésima parte del tamaño de un protón).

Animación que muestra cómo se logran detectar ondas gravitacionales en los observatorios terrestres.
Esta animación muestra cómo se logran detectar ondas gravitacionales mediante los observatorios terrestres LIGO o Virgo. POT

Hasta 2015, los objetos del cosmos se estudiaban a partir de la radiación electromagnética que emitían, en luz visible, infrarroja u ondas de radio, entre otras componentes del espectro electromagnético. Desde entonces no sólo somos capaces de see them (ondas electromagnéticas) sino también de hear a los astros, gracias a la detección de ondas gravitacionales. Ahora podemos oír su murmullo.

Un momento mágico

La científica Maura McLaughlin (de la red estadounidense Pulsar Search Collaboratory), hizo referencia al nuevo descubrimiento como un “momento mágico”.

Si bien la comunidad científica ya tenía conocimiento de señales específicas de ondas gravitacionales (como las detectadas por LIGO y Virgo), se trata ahora de la primera vez que se registra un fondo cósmico de ondas gravitacionales: una especie de susurro procedente de todas direcciones y asociado a los eventos más energéticos del universo.

La red de radiotelescopios de Europa, Norteamérica, India, Australia y China del consorcio International Pulsar Timing Array (IPTA) estudió durante 15 años las tasas de los “tictacs” de 67 púlsares repartidos por nuestra galaxia y encontró ligeras variaciones en la cadencia de sus pulsos de radio.

Espejo secundario del Gran Radiotelescopio de Nançay, que ha participado en el estudio.
Espejo secundario del Gran Radiotelescopio de Nançay (en Francia), que ha participado en el estudio. Wouter Hagens / Wikimedia Commons, CC BY-SA

El consorcio ha demostrado que las ínfimas variaciones temporales encontradas en estos relojes cósmicos (de hasta una milmillonésima de segundo en más de 20 años) se deben al paso de ondas gravitacionales de baja frecuencia (y longitudes de onda de años-luz). Estas distorsionan el espacio entre la Tierra y los propios púlsares. Como consecuencia, los pulsos de radio llegan a los observatorios terrestres antes o después de lo esperado.

Ubicación de los púlsares empleados en el estudio (estrellas azules) respecto a la posición del Sol (estrella amarilla).
Ubicación de los púlsares empleados en el estudio (estrellas azules) respecto a la posición del Sol (estrella amarilla). NANOGrav

Pero lo más sorprendente es que estos retrasos (o adelantos) temporales están correlacionados, es decir, existe una perturbación común a todos los púlsares que ocasiona este fenómeno: el fondo cósmico de ondas gravitacionales.

La importancia de este nuevo hallazgo

Este nuevo descubrimiento puede sentar las bases para responder a cuestiones sobre el destino de los agujeros negros supermasivos ( fotografiados at M87 either Sagittarius A*) hasta cómo de frecuentes pueden ser las fusiones de galaxias.

Por ahora, este equipo internacional ha conseguido medir el fondo general de ondas gravitacionales, pero no puede distinguir una por una las fuentes que lo componen. Según explica la NASA, “detectar el ruido de fondo de ondas gravitacionales es similar a escuchar el murmullo de un enorme grupo de personas hablando en una fiesta, pero sin distinguir ninguna voz en particular”.

Esperemos que en un futuro no muy lejano podamos distinguir cada una de estas voces del universo más primitivo y violento (quién sabe si los echoes del Big Bang). Mientras, disfrutemos de este nuevo hallazgo, un verdadero momento mágico en forma de murmullo cósmico.The Conversation

Oscar del Barco Novillo, Assistant Professor Doctor. Department of Applied Physics, Zaragoza's University

This article was originally published in The Conversation. read the original.