¿Qué es el fondo estocástico de ondas gravitatorias y cómo hemos logrado captarlo? #ondasgravitacionales #ondasgravitatorias #nasa #esa #technology #tecnologia #astronomy #astronomia #science #ciencia #deepsky #universe #universo #space #espacio
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00:00Escucha el universo con el equipo adecuado y lo oirás susurrar mires donde mires.
00:05Por supuesto, no es que el sonido viaje por el vacío del espacio, sino que se trata de
00:10ondas gravitatorias.
00:12Puede que ya conozcas una señal similar, descubierta hace décadas.
00:16Se llama Fondo Cósmico de Microondas y es el resultado del Big Bang.
00:22Esta luz de microondas fue un descubrimiento revolucionario.
00:25Fue la pista que consolidó al Big Bang como la teoría principal del comienzo de nuestro
00:31universo.
00:32Sin embargo, esta señal tenía un punto débil.
00:35A pesar de ser la luz más temprana de nuestro universo, se emitió casi 400.000 años después
00:42del Big Bang.
00:43Si queremos remontarnos a antes, necesitaremos una señal de fondo formada no por luz, sino
00:49por las ondulaciones del espacio-tiempo.
00:52En 2023, los astrónomos del nanograf han anunciado que mediante un ingenioso truco parecen haber
00:59detectado precisamente eso.
01:02Utilizando estrellas exóticas como detector de ondas gravitatorias de tamaño galáctico,
01:07midieron el débil susurro del propio espacio-tiempo.
01:10Este ronroneo podría ser la reverberación de la creación misma de nuestro universo.
01:17Acompáñame hoy para conocer los secretos de las ondas gravitacionales y el nuevo e ingenioso
01:22método que han utilizado los astrónomos para detectarlas.
01:27En un episodio anterior, hablamos del detector LIGO y cómo utiliza láseres para medir con
01:33precisión los minúsculos cambios en la longitud de un túnel, causados por las ondas gravitacionales
01:39que lo atraviesan.
01:41Estas ondas gravitatorias estiran y aplastan el espacio-tiempo, alterando cuánto tarda
01:46la luz en viajar de un extremo a otro del túnel.
01:49Pero los detectores como LIGO solo son sensibles a un tipo específico de ondas gravitatorias.
01:56Al igual que las ondas de luz y de sonido, las ondas gravitacionales vienen en distintas
02:01frecuencias, y LIGO solo es capaz de escuchar una parte del espectro, las altas frecuencias.
02:08Como las de estrellas binarias que entran rápidamente en espiral, completando cientos de rotaciones
02:13por segundo antes de colisionar con un gran bang.
02:19Pero LIGO no puede escuchar las fases mucho más tempranas de estas binarias, cuando los
02:24objetos orbitan entre sí a una distancia mucho mayor.
02:28Como estas órbitas son mucho más lentas, las ondas gravitacionales que producen son de
02:34menor frecuencia y energía. Así que podría decirse que en lugar de un gran bang, emiten
02:40un débil susurro, combinados en una señal colectiva.
02:44Los agujeros negros más grandes contribuyen a esta señal. Los que más contribuyen son las
02:50parejas de agujeros negros supermasivos, como los que se encuentran en el centro de las galaxias.
02:56Se espera que estos binarios, formados por agujeros negros con miles de millones de veces
03:02la masa de nuestro Sol, sean raros, porque solo deberían formarse cuando ocurre algo
03:07realmente espectacular. La fusión de dos galaxias.
03:12Cuando las estrellas se fusionan, debido a la gran cantidad de espacio vacío que hay en ellas,
03:17la mayoría se atraviesan entre sí. Se producen muy pocas colisiones reales de estrellas o planetas,
03:24si es que se produce alguna. Pero las estrellas se atraen gravitatoriamente y se fusionan en
03:30una galaxia colectiva. Y los núcleos de estas galaxias, los agujeros negros supermasivos,
03:36forman binarios que siguen orbitando entre sí mucho después de que la fusión de las galaxias
03:42parezca haberse completado. Son estos restos de fusiones de galaxias los que oiríamos con mayor
03:48intensidad en el rango de frecuencias ultrabajas, concretamente en torno al rango de nanotras,
03:54sin embargo, al igual que el oído humano no puede oír sonidos con frecuencias ultrabajas,
04:01el ligo es sordo a esta cacofonía cósmica. Si pudiéramos escucharla, aprenderíamos sobre
04:07las fusiones de galaxias y los agujeros negros. Pero eso no es todo. Una de las cosas más
04:14emocionantes del fondo de ondas gravitacionales es que es una ventana a los primeros momentos
04:19de la existencia de nuestro universo. Recapitulemos sobre lo que sabemos del fondo cósmico de
04:26microondas. Esta luz de microondas es la más temprana que podemos detectar, porque durante
04:32los primeros 400.000 años, el universo fue opaco a la luz. ¿Qué significa que el universo
04:39fuera opaco? Al principio, el universo estaba demasiado caliente para que existiera materia
04:45neutra. Los electrones y protones eran incapaces de unirse y formar átomos neutros, porque tenían
04:51demasiada energía. Este estado de la materia se denomina plasma, la misma materia de la que
04:58están hechas las estrellas y llenaba el universo. La luz queda atrapada en el plasma, incapaz de
05:05moverse por el espacio sin chocar con los electrones y protones cargados, siendo continuamente absorbida
05:11y emitida. Pero una vez que el universo se expandió y se enfrió lo suficiente para que los protones
05:17y electrones se fusionaran en átomos neutros de hidrógeno y helio, de repente se volvió
05:22transparente. La luz quedó finalmente liberada. A continuación, la expansión del universo
05:29estiró esta luz y se convirtió en luz de microondas. Por eso, el fondo cósmico de microondas
05:35es la luz más antigua del universo. Pero las ondas gravitatorias no están hechas de
05:42luz, sino del propio espacio-tiempo. El plasma no es un obstáculo para ellas. Para las ondas
05:49gravitacionales, el universo ha sido transparente casi desde el mismo instante del Big Bang.
05:55Pueden penetrar más allá de esta barrera de plasma y ofrecernos una visión de los primeros
06:01momentos de la creación del universo. Dado que estas ondas gravitatorias primordiales
06:06han viajado durante tanto tiempo, aunque originalmente tuvieran una frecuencia alta, se han estirado
06:12mucho por la expansión del espacio-tiempo. Se habrán desplazado hasta convertirse en
06:18ondas gravitacionales de frecuencia ultra baja, del mismo tipo que las procedentes de agujeros
06:23negros binarios. Juntas, estas múltiples fuentes nos darán el llamado fondo estocástico de ondas
06:31gravitatorias, que existe en un rango de bajas frecuencias. ¿Cómo pueden los astrónomos recuperar
06:37este tesoro de información sobre los agujeros negros, el Big Bang y mucho más? ¿Podemos
06:43construir un más y mejor LIGO y detectar cómo la Tierra se balancea con estas gigantescas
06:49ondas gravitacionales? Pues LIGO funciona enviando dos haces de luz a lo largo de brazos de túnel
06:56perpendiculares. Los haces son reflejados por espejos situados en los extremos de cada uno
07:02de estos túneles, hasta que regresan al punto de partida y se comparan entre sí. De este modo,
07:09si el espacio-tiempo se distorsiona a lo largo de una dirección, se puede utilizar la información
07:13de la otra dirección para hacerse una idea de cuánto ha cambiado. Por desgracia, un LIGO para
07:20detectar estas ondas gravitacionales necesitaría túneles mucho más largos que cualquier cosa que
07:25podamos construir en la Tierra. Esto se debe a que la frecuencia de una onda es inversamente
07:31proporcional a su longitud de onda. Las ondas de frecuencia ultra baja tendrán una longitud de onda
07:37ultra larga, y nos obligarían a observar los cambios a una distancia mucho mayor para notar
07:43los efectos de estas ondas gravitatorias. Para las ondas de nanohercios, es decir,
07:49una fluctuación completa cada mil millones de segundos, un cálculo rápido, longitud de onda igual
07:55velocidad de la onda dividido entre frecuencia, nos dice que la longitud de onda sería de unos 10 elevado
08:02a 17 metros. Para tener una idea de la escala, la distancia entre la Tierra y el Sol, o una
08:10unidad
08:10astronómica, es de 10 elevado a 11 metros. Un año luz son unos 10 elevado a 16 metros. Las
08:20longitudes de onda que estamos discutiendo son de decenas de años luz. Es evidente que no podemos
08:27construir nada para dicha tarea en la Tierra, ni siquiera en el sistema solar. Tenemos que ir más
08:33allá de nuestra vecindad estelar. Pero en lugar de esperar a que la humanidad ascienda a las estrellas
08:40y se convierta en una civilización espacial, los astrónomos del nanograf han utilizado un truco muy
08:46ingenioso. Quizás recuerdes nuestro reciente episodio sobre los púlsares, en el que explicamos que estas
08:52estrellas de neutrones ultradensas son capaces de girar con una notable estabilidad. Emiten luz a lo
08:59largo de sus polos, y podemos detectar los pulsos que recibimos cuando esos inmensos haces de luz
09:05alcanzan la Tierra una y otra vez. Estos pulsos llegan con tal precisión que se utilizan como relojes
09:12del cosmos, capaces de mantener la hora a través de enormes distancias. Por tanto, podemos utilizar
09:18púlsares para que nos suministren señales fiables desde miles de años luz de distancia. Los púlsares
09:26son como los espejos en los túneles de ligo, pero en lugar de devolvernos una señal, generan la suya
09:32propia. El nanograf ha ensamblado un ingenioso interferómetro imaginario que se extiende a lo
09:39largo de miles de años luz, y todo lo que necesitamos para utilizarlo son los viejos radiotelescopios
09:45que hemos estado utilizando durante décadas. Pero nuestros cálculos solo serán tan buenos
09:51como nuestras observaciones. Al elegir los púlsares que vamos a observar, tenemos que
09:57asegurarnos de que son adecuados para la tarea. Los mejores candidatos se seleccionan a mano,
10:02y se añaden a un grupo denominado Pulsar Timing Array. Para el nanograf utilizaron 68 púlsares
10:10que se eligieron por las siguientes propiedades. Tenían que estar repartidos por todo el cielo,
10:16para que podamos averiguar cómo estas ondas gravitatorias masivas afectan al espacio-tiempo
10:21en todas direcciones. Además, tenían que ser púlsares de milisegundos, lo que significa
10:27que completan millones de rotaciones por segundo. En nuestro reciente vídeo sobre púlsares, hablamos
10:34de cómo se espera que estos púlsares de giro más rápido sean los más estables y fiables
10:39en cuanto a la regularidad de sus pulsos. De hecho, su estabilidad rivaliza incluso con
10:45la de algunos relojes atómicos. No podríamos pedir mejores cronómetros para poblar el espacio
10:51y el tiempo. Esta regularidad significa que podemos tomar mediciones de las horas en que
10:57llegan sus pulsos, y seguir tomándolas durante varios años para ver si se producen cambios.
11:03Por supuesto, los tiempos de llegada pueden variar debido a todo tipo de factores, como
11:09el cambio de distancia entre la Tierra y el púlsar a medida que ambos objetos se mueven
11:13por el espacio. Pero podemos tener eso en cuenta con bastante facilidad. Sin embargo, hay factores
11:20menos predecibles, como las fluctuaciones aleatorias del gas interestelar por el que viaja la luz,
11:25que provocan retrasos que no proceden del estiramiento del espacio y el tiempo. ¿Cómo podemos eliminar
11:31el ruido aleatorio de nuestros datos procedentes de púlsares situados a miles de años luz? Pues con
11:38la estadística, podemos aislar el fondo de ondas gravitacionales del ruido aleatorio, considerando
11:45las correlaciones entre pares de púlsares del Pulsar Timing Array. Al igual que LIGO, un túnel no es
11:52suficiente. Necesitamos dos púlsares en cada extremo de nuestros túneles imaginarios. Si aparecen
11:59fluctuaciones similares con dos púlsares, es poco probable que sea ruido aleatorio que se haya
12:05alineado por casualidad al unísono. Es mucho más probable que haya una causa común a esas dos
12:11fluctuaciones, como que los fotones de los púlsares estén surfeando las mismas ondas gravitatorias.
12:18Entonces, podemos relacionar estas correlaciones de pares de púlsares con su distancia angular en el
12:24cielo. Si no hay fondo de ondas gravitacionales, esperamos que no haya correlación y que el gráfico
12:30muestre una línea recta en cero. Pero si los datos siguen una curva especial denominada curva
12:37de Hellings y Downs, esto indicaría que un fondo de ondas gravitacionales es el responsable de las
12:43variaciones. Eso es lo que ha conseguido Nanograph. El 28 de junio de 2023, basándose en más de 15 años
12:53de observaciones continuas de sus 68 púlsares, anunciaron pruebas contundentes del fondo de
12:59ondas gravitacionales. Este es el gráfico que estábamos esperando. Esto es característico de
13:07las ondas gravitatorias, que estiran en su horizontal y comprimen en su perpendicular.
13:14Esto es exactamente lo que vemos en este gráfico. Cuando los púlsares están separados en ángulos
13:20rectos, sus fotones experimentan un efecto opuesto mientras viajan hacia la Tierra. Las barras de
13:27error de los datos parecen bastante grandes, pero los investigadores han calculado que los datos
13:32muestran que la existencia de un fondo de ondas gravitacionales es estadísticamente significativa
13:38al nivel de sigma 3. Eso significa que hay una probabilidad de 1 entre 1000 de que se trate de
13:46una
13:46falsa alarma y de que los datos sean fruto de la mera casualidad. En física, el nivel sigma 5 se
13:53considera el necesario para un descubrimiento, pero sigma 3 sigue siendo una prueba muy sólida. A medida
13:59que recopilen y analicen más datos, los astrónomos podrán reducir estas barras de error y anunciar
14:05finalmente un descubrimiento oficial. Así que, ¿qué secretos nos revela este fondo de ondas gravitacionales?
14:13Aunque todavía no podemos desentrañar las fuentes del ruido colectivo, esperamos que estas técnicas
14:20nos permitan finalmente escuchar determinados binarios de agujeros negros supermasivos y
14:25averiguar qué puede decirnos la señal sobre la creación del universo. Hasta entonces, los
14:31astrónomos seguirán utilizando su megadetector para calcular cómo nos balanceamos arriba y abajo
14:37en el turbulento mar del espacio-tiempo. ¿Habías oído hablar antes del nanograf? ¿Qué secretos
14:44crees que podrían revelar las ondas gravitacionales? Si te perdiste el vídeo sobre LIGO y te gustó este
14:51vídeo, te recomiendo encarecidamente que lo veas aquí. Gracias por tu visita y nos vemos en el futuro.
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