Una representación artística de la medición del fondo de las ondas gravitacionales utilizando púlsares esparcidos por toda la Vía Láctea. Crédito de la imagen: Daniëlle Futselaar (artsource.nl) / Max Planck Institute for Radio Astronomy
Un grupo de físicos ha demostrado que, debido al comportamiento de los quarks y gluones a medida que el universo se enfría, estas primeras ondas gravitacionales deberían tener una firma distintiva.
El universo es un lugar ruidoso en términos de gravitación. De manera impredecible, una mezcla de ondas gravitacionales de fuentes desconocidas fluye por el espacio, incluso posiblemente desde el universo primitivo.
Los científicos han estado buscando señales de estas primeras ondas gravitacionales del cosmos. Un grupo de físicos ha demostrado que, debido al comportamiento de los quarks y gluones a medida que el universo se enfría, estas primeras ondas gravitacionales deberían tener una firma distintiva. Un resultado como este tendría un impacto significativo en qué modelos describen el universo casi inmediatamente después del Big Bang. La investigación fue publicada en la publicación Physical Review Letters.
En 2015, los científicos en Estados Unidos encontraron por primera vez evidencia directa de ondas gravitacionales en los interferómetros de ondas gravitacionales LIGO. Se trata de ondas únicas (aunque de poca amplitud) que provienen de una fuente específica, como la fusión de dos agujeros negros que atraviesan la Tierra. Las ondas como estas hacen que los brazos perpendiculares de 4 km de los interferómetros cambien de longitud en cantidades pequeñas (pero distintas). Esta diferencia se puede detectar mediante cambios en el patrón de interferencia que se producen a medida que los rayos láser viajan hacia adelante y hacia atrás en los brazos del detector.
Sin embargo, también existen ondas gravitacionales más pequeñas, tantas que parecen sonar como un ruido. Los investigadores han estado trabajando arduamente para descubrir el origen de las ondas gravitacionales estocásticas en medio de este sonido. El término «estocástico» se refiere a una determinación aleatoria, es decir, impredecible. Sin embargo, es más complicado encontrar ondas gravitacionales más pequeñas, por lo que los investigadores han optado por utilizar grupos de púlsares de milisegundos, en los que la distancia entre la Tierra y un púlsar distante es la longitud efectiva del brazo del interferómetro.
Los púlsares, (estrellas de neutrones en rotación) envían rayos de radiación, algunos de los cuales pasan por la Tierra en la misma dirección que un faro en rotación. Los púlsares tienen un período de revolución muy estable, y el paso de numerosas ondas gravitacionales más pequeñas con longitudes de onda de años luz alteraría sutilmente cualquier medición de esta sincronización del reloj.
La colaboración NANOgrav demostró el año pasado que, al igual que otros grupos, estas ondas gravitacionales estocásticas de baja frecuencia existen en el fondo del espacio-tiempo. Pero ¿cuál es su origen? ¿El ruido de fondo se origina en fenómenos astrofísicos, como cientos de miles de agujeros negros supermasivos fusionándose, supernovas y similares?
Tal vez el fondo comenzó en el universo primitivo y sus ondas se han propagado desde entonces, de manera similar al fondo cósmico de microondas que llena todo el espacio 380.000 años después del Big Bang debido al desacoplamiento de los fotones de los electrones. ¿O hay algo más?
Los escenarios difieren. Los conocimientos actuales sobre la física de los agujeros negros supermasivos son insuficientes para llegar a conclusiones sólidas. Y el espectro continuo de las ondas gravitacionales de fondo requiere simulaciones numéricas detalladas porque depende de los detalles microscópicos de la fuente.
Esta nueva investigación ofrece una manera de diferenciar las ondas del universo temprano de las de otras fuentes. En el fondo medido, los modelos físicos estándar, como las teorías exitosas de las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas, deberían dejar una huella distinta que sea independiente del modelo preciso del universo temprano elegido.
El universo ha pasado por varias fases a medida que se ha enfriado desde el momento inicial del Big Bang. Algo que se mencionó anteriormente es el desacoplamiento de los fotones después de 380.000 años, cuando el universo se enfrió lo suficiente como para que los electrones pudieran unirse a los protones y formar átomos de hidrógeno. Como resultado, los fotones se quedaron a la deriva de manera inesperada.
Pero hubo una transición anterior, o cruce, cuando los quarks y gluones libres, que habían formado un plasma de quarks y gluones, se fusionaron en partículas individuales de dos o más quarks pegados entre sí por la fuerza fuerte, con los gluones atrapados con ellos.
REFERENCIAS
Footprints of the QCD Crossover on Cosmological Gravitational Waves at Pulsar Timing Arrays. Journal Physical Review Letters: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.081001
