Estamos a punto de escuchar el verdadero eco del Big Bang
Desde la detección de las primeras ondas gravitatorias tenemos como objetivo escuchar el propio eco del Big Bang, las ondas gravitatorias emitidas durante los primeros instantes de vida del universo. Ahora, con las mejoras conseguidas en la tecnología que hace estas detecciones posibles, estamos más cerca que nunca de conseguirlo.
Desde que se hiciera la primera detección de las ondas gravitatorias emitidas durante la colisión de dos agujeros negros a finales de 2015 se han detectado casi 100 eventos donde dos de estos objetos, o dos estrellas de neutrones o uno de cada, colisionaban, emitiendo grandes cantidades de energía en forma de estas ondas. Las ondas gravitatorias no son más que la perturbación en el campo gravitatorio causado por el movimiento de las masas. Es decir, con tan solo mover un brazo o dejar caer una piedra, técnicamente estamos creando ondas gravitatorias, pero éstas son tan ridículamente débiles que resultan imperceptibles, incluso para nuestros instrumentos más potentes. No es hasta que consideramos las colisiones de dos de los objetos más densos y extremos del universo que podemos plantearnos su detección y estudio.
Las ondas gravitatorias fueron predichas por la teoría de la Relatividad General, del físico alemán Albert Einstein. Puesto que esta teoría nos habla sobre cómo la masa y la energía contribuyen a la deformación del espacio-tiempo y sobre cómo esa deformación dicta cómo se mueven la masa y la energía, tenía algo que decir sobre estas ondas. Casi un siglo después de su predicción, obtuvimos evidencia directa de la existencia de las ondas gravitatorias. Recalcamos lo de “directa” porque ya se tenía evidencia indirecta desde la década de los 70, cuando se detectó cómo un sistema compuesto de dos púlsares que se orbitaban mutuamente perdía energía al emitir, suponíamos, estas ondas.
Desde aquella primera detección los sistemas encargados de hacerla se han ido refinando y perfeccionando, con lo que hemos conseguido aumentar la sensibilidad y la fiabilidad de las detecciones. Además de los detectores LIGO y VIRGO, situados en Estados Unidos e Italia respectivamente, recientemente se han desarrollado otros proyectos nuevos como KAGRA, en Japón, que empezó a operar recientemente o IndIGO, en India, que aún no ha empezado su construcción. También se están desarrollando planes para establecer detectores de ondas gravitatorias en el espacio, como el telescopio espacial LISA.
Aunque la detección de las ondas gravitatorias emitidas durante la colisión de agujeros negros o estrellas de neutrones sea interesante en sí misma, y aunque haya otros sistemas binarios menos compactos en el punto de mira, como los sistemas de dos enanas blancas, el objetivo final, el santo grial podríamos llamarlo, de esta nueva rama de la astronomía es detectar lo que se conoce como el fondo cósmico de ondas gravitatorias, el propio eco dejado por la rápida expansión del universo tras el Big Bang.
Este fondo cósmico podría compararse (y tal vez confundirse) con el fondo cósmico de microondas, que es la luz más antigua que podemos observar en el universo. Tras el Big Bang el universo fue expandiéndose y, en consecuencia, enfriándose. Las partículas que lo formaban fueron perdiendo energía. Durante los primeros 370 000 años los protones y electrones que habitaban en el universo tenían suficiente energía y estaban lo suficientemente juntos como para absorber casi inmediatamente cualquier luz, cualquier fotón, que fuera emitido por alguna de las otras partículas. Durante esta época el universo era opaco, pues ningún rayo de luz podía viajar más que una pequeña distancia sin ser reabsorbido. Sin embargo esto cambió en torno a esos 370 000 años de edad del universo, cuando la energía media de protones y electrones descendió lo suficiente como para permitir que formaran átomos neutros de hidrógeno. A partir de ese momento los fotones emitidos pudieron viajar libremente, volviéndose el universo transparente. Esa luz ha ido perdiendo energía con la expansión del universo hasta nuestros días y en la actualidad podemos detectarla como una radiación de fondo en el rango de las microondas.
Algo similar debería haber ocurrido con las ondas gravitatorias, pudiendo observar nosotros una radiación de fondo, una especie de zumbido gravitatorio, con la diferencia de que este fondo cósmico de ondas gravitatorias habría sido emitido justo tras el Big Bang, sin esperar cientos de miles de años. Esto permitiría por tanto obtener información valiosa sobre los primerísimos instantes del universo, un momento inalcanzable con la detección de luz. Pensamos que la nueva generación de detectores de ondas gravitatorias podrían llegar a detectar dicho fondo cósmico. LIGO y VIRGO han estado incorporando mejoras recientemente y en marzo de 2023 retomarán sus observaciones, en paralelo con el detector KAGRA.
Este fondo cósmico además se verá emborronado por otro fondo cósmico, de carácter menos fundamental, pero también interesante. Cualquier planeta orbitando alrededor de una estrella, cualquier par de estrellas orbitándose mutuamente o cualquier par de agujeros negros, estrellas de neutrones, enanas blancas y demás objetos exóticos orbitando algún otro tipo de estos objetos debería emitir ondas gravitatorias. De momento solo somos capaces de detectar las ondas emitidas por los eventos más extremos, pero cada minúscula contribución debería contribuir a una especie de fondo cósmico, a un ruido gravitatorio que podría ser detectado. Este ruido podría por ejemplo ayudarnos en nuestra caracterización de la energía y la materia oscuras, pues según tenga unas propiedades u otras, nos indicará la presencia de materia o energía en diferentes formas y configuraciones.
Referencias:
- J. D. Romano, N. J. Cornish (2017). "Detection methods for stochastic gravitational-wave backgrounds: a unified treatment". Living Rev Relativ. 20 (1): 2, doi:10.1007/s41114-017-0004-1
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