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Fondo de onda gravitacional

El fondo de ondas gravitacionales (también GWB y fondo estocástico ) es un fondo aleatorio de ondas gravitacionales que impregnan el Universo y que es detectable mediante experimentos de ondas gravitacionales, como los conjuntos de temporización de púlsares . [1] La señal puede ser intrínsecamente aleatoria, como los procesos estocásticos en el Universo temprano, o puede ser producida por una superposición incoherente de una gran cantidad de fuentes de ondas gravitacionales independientes y débiles no resueltas, como los binarios de agujeros negros supermasivos. La detección del fondo de ondas gravitacionales puede proporcionar información que es inaccesible por cualquier otro medio sobre la población de fuentes astrofísicas, como los hipotéticos antiguos binarios de agujeros negros supermasivos, y los procesos tempranos del Universo, como la hipotética inflación primordial y las cuerdas cósmicas . [2]

Fuentes de un fondo estocástico

Se plantean hipótesis sobre varias fuentes potenciales de fondo en varias bandas de frecuencia de interés, y cada fuente produce un fondo con diferentes propiedades estadísticas. Las fuentes del fondo estocástico se pueden dividir en términos generales en dos categorías: fuentes cosmológicas y fuentes astrofísicas.

Fuentes cosmológicas

Los antecedentes cosmológicos pueden surgir de varias fuentes del universo primitivo. Algunos ejemplos de estas fuentes primordiales incluyen campos escalares inflacionarios que varían en el tiempo en el universo temprano, mecanismos de "precalentamiento" después de la inflación que involucran la transferencia de energía de las partículas inflaton a la materia regular, transiciones de fase cosmológica en el universo temprano (como la transición de fase electrodébil ), cuerdas cósmicas , etc. Si bien estas fuentes son más hipotéticas, la detección de un fondo de ondas gravitacionales primordiales a partir de ellas sería un descubrimiento importante de nueva física y tendría un profundo impacto en la cosmología del universo temprano y en la física de altas energías . [3] [4]

Fuentes astrofísicas

Un fondo astrofísico se produce por el ruido combinado de muchas fuentes astrofísicas débiles, independientes y no resueltas. [2] Por ejemplo, se espera que el fondo astrofísico de las fusiones de agujeros negros binarios de masa estelar sea una fuente clave del fondo estocástico para la generación actual de detectores terrestres de ondas gravitacionales. Los detectores LIGO y Virgo ya han detectado eventos individuales de ondas gravitacionales provenientes de tales fusiones de agujeros negros. Sin embargo, habría una gran población de fusiones de este tipo que no se podrían resolver individualmente, lo que produciría un zumbido de ruido aleatorio en los detectores. También pueden servir de fondo otras fuentes astrofísicas que no se pueden resolver individualmente. Por ejemplo, una estrella suficientemente masiva en la etapa final de su evolución colapsará para formar un agujero negro o una estrella de neutrones ; en el rápido colapso durante los momentos finales de un evento de supernova explosiva , que puede conducir a tales formaciones, ondas gravitacionales. teóricamente puede ser liberado. [5] [6] Además, en las estrellas de neutrones que giran rápidamente existe toda una clase de inestabilidades impulsadas por la emisión de ondas gravitacionales. [ cita necesaria ]

La naturaleza de la fuente también depende de la banda de frecuencia sensible de la señal. La generación actual de experimentos terrestres como LIGO y Virgo son sensibles a las ondas gravitacionales en la banda de frecuencia de audio entre aproximadamente 10 Hz y 1000 Hz. En esta banda, la fuente más probable del fondo estocástico será un fondo astrofísico procedente de fusiones binarias de estrellas de neutrones y agujeros negros binarios de masa estelar. [7]

Un medio alternativo de observación es el uso de matrices de temporización de púlsares (PTA). Tres consorcios: el European Pulsar Timing Array (EPTA), el Observatorio norteamericano de nanohercios para ondas gravitacionales (NANOGrav) y el Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), se coordinan como el Pulsar Timing Array internacional . Utilizan radiotelescopios para monitorear el conjunto galáctico de púlsares de milisegundos, que forman un detector de escala galáctica sensible a ondas gravitacionales con bajas frecuencias en el rango de nanohercios a 100 nanohercios. Con los telescopios existentes, se necesitan muchos años de observación para detectar una señal y la sensibilidad del detector mejora gradualmente. Los límites de sensibilidad se están acercando a los esperados para las fuentes astrofísicas. [8]

En los centros de las galaxias se encuentran agujeros negros supermasivos con masas de 10 5 –10 9 masas solares . No se sabe qué surgió primero, si los agujeros negros supermasivos o las galaxias, ni cómo evolucionaron. Cuando las galaxias se fusionan, se espera que sus agujeros negros supermasivos centrales también se fusionen. [9] Estos binarios supermasivos producen potencialmente las señales de ondas gravitacionales de baja frecuencia más fuertes; Los más masivos son fuentes potenciales de un fondo de ondas gravitacionales de nanohercios, que en principio es detectable mediante PTA . [10]

Detección

Gráfico de correlación entre púlsares observados por NANOGrav (2023) versus separación angular entre púlsares, en comparación con un modelo teórico de Hellings-Downs (púrpura discontinuo) y si no hubiera fondo de ondas gravitacionales (verde sólido) [11] [12]

El 11 de febrero de 2016, las colaboraciones LIGO y Virgo anunciaron la primera detección y observación directa de ondas gravitacionales, que tuvo lugar en septiembre de 2015. En este caso, dos agujeros negros chocaron y produjeron ondas gravitacionales detectables. Este es el primer paso para la posible detección de un GWB. [13] [14]

El 28 de junio de 2023, la colaboración del Observatorio de Nanohercios de Ondas Gravitacionales de América del Norte anunció evidencia de un GWB utilizando datos de observación de una serie de púlsares de milisegundos . [15] [16] Las observaciones de EPTA , [17] el Observatorio Parkes [18] y el Pulsar Timing Array chino (CPTA) [19] [20] también se publicaron el mismo día, proporcionando una validación cruzada de la evidencia de GWB utilizando diferentes telescopios y métodos de análisis. [21] Estas observaciones proporcionaron la primera medición de la curva teórica de Hellings-Downs , es decir, la correlación cuadrupolar entre dos púlsares en función de su separación angular en el cielo, que es un signo revelador del origen de la onda gravitacional del fondo observado. . [22] Las fuentes de este fondo de ondas gravitacionales no pueden identificarse sin más observaciones y análisis, aunque los binarios de agujeros negros supermasivos son los principales candidatos. [1]

Ver también

Referencias

  1. ^ ab O'Callaghan, Jonathan (4 de agosto de 2023). "Un 'zumbido' de fondo impregna el universo. Los científicos corren para encontrar su fuente. Los astrónomos ahora están tratando de identificar los orígenes de una nueva y emocionante forma de ondas gravitacionales que se anunció a principios de este año". Científico americano . Archivado desde el original el 4 de agosto de 2023 . Consultado el 4 de agosto de 2023 .
  2. ^ ab Joseph D. Romano, Neil. J. Cornualles (2017). "Métodos de detección de fondos de ondas gravitacionales estocásticas: un tratamiento unificado". Living Rev Relativ . 20 (1): 2. arXiv : 1608.06889 . Código Bib : 2017LRR....20....2R. doi :10.1007/s41114-017-0004-1. PMC 5478100 . PMID  28690422. 
  3. ^ Krauss, Lawrence D; Dodelson, Scott; Meyer, Stephan (21 de mayo de 2010). "Cosmología y ondas gravitacionales primordiales". Ciencia . 328 (5981): 989–992. arXiv : 1004.2504 . Código Bib : 2010 Ciencia... 328..989K. doi : 10.1126/ciencia.1179541. PMID  20489015. S2CID  11804455.
  4. ^ Christensen, Nelson (21 de noviembre de 2018). "Fondos de ondas gravitacionales estocásticas". Informes sobre los avances en física . 82 (1): 016903. arXiv : 1811.08797 . doi :10.1088/1361-6633/aae6b5. PMID  30462612. S2CID  53712558.
  5. ^ Ott, Christian D.; et al. (2012). "Supernovas de colapso del núcleo, neutrinos y ondas gravitacionales". Física Nuclear B: Suplementos de actas . 235 : 381–387. arXiv : 1212.4250 . Código Bib : 2013NuPhS.235..381O. doi :10.1016/j.nuclphysbps.2013.04.036. S2CID  34040033.
  6. ^ Freidora, Chris L.; Nuevo, Kimberly CB (2003). "Ondas gravitacionales por colapso gravitacional". Reseñas vivas en relatividad . 6 (1): 2. arXiv : gr-qc/0206041 . Código Bib : 2003LRR.....6....2F. doi :10.12942/lrr-2003-2. PMC 5253977 . PMID  28163639. 
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  10. ^ Sesaña, A.; Vecchio, A.; Colacino, CN (11 de octubre de 2008). "El fondo de ondas gravitacionales estocásticas de sistemas binarios de agujeros negros masivos: implicaciones para las observaciones con Pulsar Timing Arrays". Avisos mensuales de la Real Sociedad Astronómica . 390 (1): 192–209. arXiv : 0804.4476 . Código Bib : 2008MNRAS.390..192S. doi :10.1111/j.1365-2966.2008.13682.x. S2CID  18929126.
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  12. ^ "Después de 15 años, la sincronización del púlsar produce evidencia de un fondo de ondas gravitacionales cósmicas". 29 de junio de 2023.
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