Subscribe Us

ASTRONOMÍA. Las ondas gravitacionales tras el Big Bang clave para comprender las condiciones del universo temprano

 

Las ondas gravitacionales primordiales, producidas hace casi 13.800 millones de años en los momentos posteriores al Big Bang, todavía resuenan en el universo de hoy. Fuente: MIT

La identificación de ondas primordiales sería clave para comprender las condiciones del universo temprano.

En los momentos inmediatamente posteriores al Big Bang , sonaron las primeras ondas gravitacionales . Producto de las fluctuaciones cuánticas en la nueva sopa de materia primordial, estas primeras ondas a través del tejido del espacio-tiempo fueron rápidamente amplificadas por procesos inflacionarios que llevaron al universo a expandirse explosivamente.

Las ondas gravitacionales primordiales, producidas hace casi 13.800 millones de años, todavía resuenan en el universo de hoy. Pero son ahogados por el crepitar de las ondas gravitacionales producidas por eventos más recientes, como la colisión de agujeros negros y estrellas de neutrones.

Ahora, un equipo del MIT ha desarrollado un método para detectar las señales muy débiles de ondas primordiales de los datos de ondas gravitacionales. Sus resultados se publican esta semana en Physical Review Letters .

Las ondas gravitacionales están siendo detectadas casi a diario por LIGO y otros detectores de ondas gravitacionales, pero las señales gravitacionales primordiales son varios órdenes de magnitud más débiles de lo que estos detectores pueden registrar. Se espera que la próxima generación de detectores sea lo suficientemente sensible como para detectar estas primeras ondas.

Un equipo dirigido por un estudiante graduado del MIT ha desarrollado un método para detectar las señales muy débiles de ondas primordiales a partir de datos de ondas gravitacionales producidos por eventos más recientes, como la colisión de agujeros negros y estrellas de neutrones. Fuente: Carl Knox, OzGrav / Swinburne

En la próxima década, a medida que se conecten instrumentos más sensibles, el nuevo método podría aplicarse para desenterrar señales ocultas de las primeras ondas gravitacionales del universo. El patrón y las propiedades de estas ondas primordiales podrían revelar pistas sobre el universo temprano, como las condiciones que impulsaron la inflación.

“Si la fuerza de la señal primordial está dentro del rango de lo que los detectores de próxima generación pueden detectar, lo que podría ser, entonces sería una cuestión de más o menos simplemente girar la manivela de los datos, usando este método que hemos desarrollado ”, dice Sylvia Biscoveanu, estudiante de posgrado en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. 

"Estas ondas gravitacionales primordiales pueden informarnos sobre procesos en el universo temprano que de otro modo serían imposibles de sondear".

Un zumbido de concierto

La búsqueda de ondas gravitacionales primordiales se ha concentrado principalmente en el fondo de microondas cósmico, o CMB, que se cree que es la radiación que queda del Big Bang. Hoy, esta radiación impregna el universo como energía que es más visible en la banda de microondas del espectro electromagnético. Los científicos creen que cuando las ondas gravitacionales primordiales se ondularon, dejaron una huella en el CMB, en forma de un tipo de patrón de polarización sutil.

A medida que los científicos continúan buscando ondas gravitacionales primordiales en el CMB, otros están buscando las ondas directamente en los datos de ondas gravitacionales. La idea general ha sido intentar restar el "primer plano astrofísico", cualquier señal de onda gravitacional que surja de una fuente astrofísica, como agujeros negros en colisión, estrellas de neutrones y supernovas en explosión. Solo después de restar este primer plano astrofísico, los físicos pueden obtener una estimación de las señales no astrofísicas más silenciosas que pueden contener ondas primordiales.

Dos estrellas de neutrones chocan entre sí en un evento explosivo llamado kilonova en esta ilustración. El 16 de octubre de 2017, los astrónomos anunciaron la primera detección confirmada de ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales creadas por este tipo de evento violento y visible. FOTOGRAFÍA DE ILUSTRACIÓN DE ROBIN DIENEL; CORTESÍA DE LA CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE 


Una inyección primordial

Para su nuevo enfoque, los investigadores se basaron en un modelo para describir las "conversaciones" más obvias del primer plano astrofísico. El modelo predice el patrón de señales de ondas gravitacionales que se producirían por la fusión de objetos astrofísicos de diferentes masas y espines. El equipo utilizó este modelo para crear datos simulados de patrones de ondas gravitacionales, tanto de fuentes astrofísicas fuertes como débiles, como la fusión de agujeros negros.

Luego, el equipo intentó caracterizar cada señal astrofísica que acecha en estos datos simulados, por ejemplo, para identificar las masas y espines de los agujeros negros binarios. Tal como están, estos parámetros son más fáciles de identificar para señales más fuertes, y solo están débilmente restringidos para las señales más suaves. Si bien los métodos anteriores solo utilizan una "mejor estimación" para los parámetros de cada señal con el fin de restarla de los datos, el nuevo método tiene en cuenta la incertidumbre en la caracterización de cada patrón y, por lo tanto, puede discernir la presencia de las señales más débiles , incluso si no están bien caracterizados. 

Una vez que identificaron patrones tan distintos y no aleatorios en los datos de ondas gravitacionales, se quedaron con más señales de ondas gravitacionales primordiales aleatorias y ruido instrumental específico para cada detector. 

Se cree que las ondas gravitacionales primordiales impregnan el universo como un zumbido difuso y persistente, que según la hipótesis de los investigadores debería tener el mismo aspecto y, por lo tanto, estar correlacionado en dos detectores cualesquiera.

Por el contrario, el resto del ruido aleatorio recibido en un detector debe ser específico de ese detector y no correlacionado con otros detectores. Por ejemplo, el ruido generado por el tráfico cercano debería ser diferente según la ubicación de un detector determinado. Al comparar los datos en dos detectores después de tener en cuenta las fuentes astrofísicas dependientes del modelo, se podrían extraer los parámetros del fondo primordial.

Los astrofísicos esperan que una vez que los detectores sensibles de próxima generación estén en línea, el nuevo método se pueda usar para correlacionar y analizar datos de dos detectores diferentes, para filtrar la señal primordial. Entonces, los científicos pueden tener un hilo útil que puedan rastrear hasta las condiciones del universo temprano.

El tejido del espacio-tiempo se distorsiona cuando dos estrellas de neutrones se mueven en espiral hacia su desaparición en una ilustración FOTOGRAFÍA DE ILUSTRACIÓN DE NSF / LIGO / SONOMA STATE UNIVERSITY / A. SIMONNET


Fuente: Measuring the Primordial Gravitational-Wave Background in the Presence of Astrophysical Foregrounds. Sylvia Biscoveanu, Colm Talbot, Eric Thrane, and Rory Smith. Phys. Rev. Lett. 125, 241101 – Published 9 December 2020  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.241101

PUBLICIDAD

Publicar un comentario

0 Comentarios