Los investigadores han encontrado una nueva forma de buscar ondas gravitacionales, las ondas en el espacio-tiempo causadas por la explosión, el giro o la fusión de objetos celestes masivos. Los físicos detectaron ondas por primera vez en 2015 con detectores basados en láser, y otros científicos las han estado persiguiendo con radiotelescopios terrestres. Ahora, la caza se ha trasladado al espacio. Un nuevo estudio revela que los datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi también pueden, en teoría, detectar una onda que pasa. Aunque la técnica aún no es lo suficientemente precisa para hacer una detección real, ya está ayudando a otros investigadores a afinar sus análisis.
Descubrir que Fermi podía hacer esto «fue una gran sorpresa para nosotros», dice el líder del equipo Matthew Kerr, astrónomo de rayos gamma en el Laboratorio de Investigación Naval. Cuando se lanzó el telescopio hace casi 14 años, «esto estaba tan fuera del radar».
Las ondas gravitacionales, predichas por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, ocurren cuando masas inmensas, como agujeros negros o neutrones, los núcleos densos de estrellas quemadas, se mueven violentamente, giran y chocan entre sí. Desde 2015, dos grandes detectores con base en la Tierra, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) en los Estados Unidos y Virgo en Europa, han detectado docenas de fusiones de agujeros negros y un solo par de estrellas de neutrones. Los detectores disparan láseres a través de tubos de vacío de kilómetros de largo. Cuando pasa una onda, altera la longitud del tubo en tan solo 1/10.000 del ancho de un protón, que luego detectan los láseres.
Los radioastrónomos buscan presas más grandes que LIGO y Virgo: buscan megafusiones, la unión de agujeros negros supermasivos que pesan miles de millones de soles cada uno. Tales agujeros negros acechan en los centros de las galaxias; cuando dos galaxias se fusionan, se cree que los agujeros negros se orbitan muy de cerca y se unen lentamente. Los telescopios convencionales nunca van a detectar un par así en una galaxia distante, dice la teórica de ondas gravitacionales Chiara Mingarelli de la Universidad de Connecticut, Storrs. Las ondas gravitacionales «pueden ser la única evidencia que veremos».
Debido a que las ondas producidas por un dúo en espiral de este tipo son largas (un ciclo tarda años en pasar), atraparlas requiere una red que abarque toda la galaxia. En lugar de usar láseres y tubos de vacío, los radioastrónomos recurren a los púlsares, estrellas de neutrones que arrojan radiación desde sus polos. A medida que giran, esa radiación barre el cielo como un haz de luz sobrealimentado. En la Tierra, los astrónomos ven destellos cientos de veces por segundo de algunos púlsares, que llegan con la misma regularidad que el tictac de un reloj atómico. Una onda gravitatoria que pasa alterará ligeramente la distancia entre un púlsar y la Tierra, por lo que al monitorear los tiempos de llegada de los pulsos de una colección de púlsares a lo largo de la Vía Láctea durante muchos años, conocida como matriz de sincronización de púlsares (PTA), los astrónomos esperan detectar ligeras variaciones que indican el paso de ondas gravitacionales.
El año pasado, utilizando datos recopilados durante más de una docena de años, los equipos de la PTA en América del Norte y Europa anunciaron que habían detectado débiles señales estadísticas que sugerían algo conocido como fondo de ondas gravitacionales, una reverberación de todas las fusiones de agujeros negros supermasivos en un gran franja del universo. Analizar algunos años más de datos, lo que los equipos están haciendo ahora, puede solidificar esas afirmaciones.
Y ahora Fermi ha entrado en la refriega. Los púlsares emiten rayos gamma, además de su torrente de ondas de radio. Pero muchos astrónomos dudaron de que sus instrumentos pudieran sentir lo suficiente como para detectar ondas gravitacionales. Kerr y sus colegas decidieron averiguarlo. Buscaron fotones de rayos gamma de unos 30 púlsares adecuados en 12,5 años del archivo de Fermi. A diferencia de los PTA de radio, que deben apuntar a púlsares específicos durante breves períodos de tiempo, Fermi observa constantemente una gran franja del cielo, por lo que casi siempre hay varios púlsares a la vista. Pero los fotones en el rango gamma son tan raros que «Fermi puede mirar toda la semana y no ver fotones», dice Kerr.
Aun así, el equipo informa hoy en Ciencia, su rastreo a través del archivo Fermi arrojó suficientes fotones para hacer un PTA de rayos gamma. Al igual que sus colegas de radio, Kerr y su equipo no pudieron detectar definitivamente el fondo de ondas gravitacionales. Pero pudieron establecer un límite superior al valor de su señal. Kerr admite que el límite basado en gamma es solo un tercio tan ajustado como el de los PTA de radio, pero mejorará a medida que Fermi recopile más datos. “Entonces, si Fermi no cae del cielo, tendremos una sensibilidad comparable” en 5 a 10 años, dice.
“Este es un documento realmente interesante”, dice Maura McLaughlin de la Universidad de West Virginia, líder de NANOGrav, uno de los equipos de radio de la PTA. Aunque el esfuerzo de rayos gamma todavía se está poniendo al día, ya puede contribuir. “Una cosa muy útil que pueden hacer los datos de rayos gamma es ayudarnos a comprender el efecto del medio interestelar”, que es una fuente importante de ruido en las búsquedas de PTA, dice McLaughlin. Esta voluta de partículas y radiación puede desviar la trayectoria de las ondas de radio y ralentizar algunas frecuencias más que otras, difuminando la señal. Pero los rayos gamma obtienen un pase libre, y al comparar las señales de los púlsares de los rayos gamma y de radio, los investigadores pueden comprender mejor el ruido interestelar y, potencialmente, identificar la huella digital de las ondas gravitacionales. Las señales de rayos gamma son “una medida independiente”, dice Mingarelli, también miembro del equipo de NANOGrav. “Se suma a nuestro conjunto de herramientas de detección de ondas gravitacionales”.
Una vez que los PTA (radio y rayos gamma) hayan identificado el fondo de ondas gravitacionales, el próximo objetivo serán los agujeros negros supermasivos binarios individuales para descubrir cómo estos gigantes giratorios afectan a las galaxias que los rodean. “Es una forma completamente nueva de observar el universo”, dice Mingarelli. ¿Quién sabe lo que encontraremos?
