Redacción

En los momentos inmediatamente posteriores al Big Bang, aparecieron las primeras ondas gravitacionales. Producto de fluctuaciones cuánticas en la nueva sopa de materia primordial, estas primeras ondas a través del tejido del espacio-tiempo fueron rápidamente amplificadas por procesos inflacionarios que llevaron al universo a una expansión explosiva.

Las ondas gravitatorias primitivas, producidas hace casi 13.800 millones de años, todavía resuenan hoy en día a través del universo. Pero se ven ahogadas por el “ruido” de las ondas gravitatorias producidas por eventos más recientes, como la colisión de agujeros negros y estrellas de neutrones.

Ahora, un equipo dirigido por un estudiante graduado del MIT ha desarrollado un método para extraer las muy débiles señales de las ondas primordiales de los datos de ondas gravitacionales disponibles. Los resultados se publicaron en la revista Physical Review Letters.

Las ondas gravitatorias se detectan casi a diario a través del observatorio LIGO y de otros detectores, pero las señales gravitatorias primordiales son varios órdenes de magnitud más débiles de lo que estos detectores pueden registrar. Se espera que la próxima generación de detectores sea lo suficientemente sensible para captar estas primeras ondas.

En la próxima década, a medida que se pongan en marcha instrumentos más sensibles, el nuevo método podría aplicarse para desenterrar señales ocultas de las primeras ondas gravitatorias del universo. El patrón y las propiedades de estas ondas primordiales podrían entonces revelar pistas sobre el universo temprano, como las condiciones que impulsaron la inflación.

“Si la fuerza de la señal primordial está dentro del rango de lo que los detectores de la próxima generación puedan detectar, lo cual podría ser, entonces sería más o menos una cuestión de solo girar la manivela de los datos, usando este método que hemos desarrollado”, dice Sylvia Biscoveanu, una estudiante graduada en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. “Estas ondas gravitacionales primordiales podrán entonces hablarnos sobre procesos en el universo temprano que de otra manera son imposibles de explorar”.

(Foto: MIT)

La búsqueda de ondas gravitatorias primordiales se ha concentrado principalmente en el fondo cósmico de microondas, o CMB, que se cree que es la radiación que queda del Big Bang. Hoy en día esta radiación impregna el universo como una energía que es más visible en la banda de microondas del espectro electromagnético. Los científicos creen que cuando las ondas gravitacionales primordiales aparecieron, dejaron una huella en el CMB, en forma de modos B, un tipo de patrón de polarización sutil.

Los físicos han buscado signos de modos B, y en 2014 creyeron que los habían detectado. Sin embargo, la señal resultó ser debida al polvo galáctico.

A medida que los científicos continúan buscando las ondas gravitatorias primordiales en el CMB, otros están buscando las ondas directamente en los datos de las ondas gravitatorias. La idea general ha sido tratar de restar el “primer plano astrofísico”, cualquier señal de ondas gravitacionales que surja de una fuente astrofísica, como agujeros negros en colisión, estrellas de neutrones y supernovas en explosión. Solo después de restar este primer plano astrofísico pueden los físicos obtener una estimación de las señales más silenciosas y no astrofísicas que pueden contener ondas primordiales.

El problema con estos métodos, dice Biscoveanu, es que el primer plano astrofísico contiene señales más débiles, por ejemplo de fusiones más lejanas, que son demasiado débiles de discernir y difíciles de estimar en la sustracción final.

Para su nuevo método, los investigadores se basaron en un modelo para describir las “conversaciones” más obvias del primer plano astrofísico. El modelo predice el patrón de las señales de ondas gravitacionales que se producirían por la fusión de objetos astrofísicos de diferentes masas y giros. El equipo utilizó este modelo para crear datos simulados de patrones de ondas gravitacionales, tanto de fuentes astrofísicas fuertes como débiles, como los agujeros negros de fusión.

El equipo trató de caracterizar cada señal astrofísica que acechaba en estos datos simulados, por ejemplo para identificar las masas y giros de los agujeros negros binarios. Tal como están las cosas, estos parámetros son más fáciles de identificar para las señales más fuertes, y solo están débilmente restringidos para las señales más débiles. Mientras que los métodos anteriores solo utilizan la “mejor conjetura posible” para los parámetros de cada señal a fin de restarla de los datos, el nuevo método tiene en cuenta la incertidumbre en la caracterización de cada patrón y, por lo tanto, es capaz de discernir la presencia de las señales más débiles, aunque no estén bien caracterizadas. Biscoveanu dice que esta capacidad de cuantificar la incertidumbre ayuda a los investigadores a evitar cualquier sesgo en su medición del fondo primordial.

Una vez que identificaron estos patrones tan distintos y no aleatorios en los datos de las ondas gravitatorias, se quedaron con señales de ondas gravitatorias primordiales más aleatorias y con el ruido instrumental específico de cada detector.