Listos para la cosmología de ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales, esas distorsiones del espaciotiempo observadas directamente por primera vez en septiembre de 2015 por la colaboración científica LIGO, son fundamentalmente distintas de las ondas electromagnéticas. Pero, al igual que sus homónimas electromagnéticas, las ondas gravitacionales pueden tener un amplio espectro de frecuencias. De hecho, los distintos experimentos para detectarla se centran en bandas de frecuencias concretas, cada una de las cuales se asocia a un tipo concreto de fuente, como los dos agujeros negros colisionando que generaron la señal que detectó LIGO.

La incipiente astronomía basada en ondas gravitacionales, como la ya consolidada astronomía de ondas electromagnéticas (microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X, etc.), nos permitirá en un futuro próximo detectar fenómenos que hasta ahora nos estaban vedados. Una de las posibilidades es observar los mismísimos orígenes del universo. Y es que hay una fuente que es común a todos los experimentos, independientemente de la frecuencia: las fluctuaciones cuánticas en el universo primitivo, cuando éste tenía tan sólo una fracción de segundo de vida.

Una de las posibilidades es observar los mismísimos orígenes del universo

Pero para conseguir esto es necesario conocer qué tipo de señales cabe esperar y en qué frecuencias. Un amplio equipo de investigadores de una veintena de instituciones internacionales encabezado por Paul Lasky, de la Universidad Monash (Australia), ha combinado datos de distintos experimentos que abarcan 29 órdenes de magnitud de frecuencias de ondas gravitacionales, desde los experimentos que se centran en el fondo cósmico de microondas como Planck a los interferómetros sobre la superficie terrestre como LIGO, para delimitar lo más precisamente posible el tamaño de estas fluctuaciones cuánticas y el gradiente (cómo depende la densidad de energía de la frecuencia) del espectro de ondas gravitacionales primordiales.

Existe un amplio consenso en que una fracción de segundo tras el Big Bang, las fluctuaciones cuánticas del campo gravitatorio se vieron magnificadas por una inimaginablemente rápida expansión del espacio conocida como inflación cósmica. Este sería el origen del fondo de ondas gravitacionales primordiales. Y es que los resultados de los distintos experimentos analizados por Lasky y colaboradores contienen señales, directas o indirectas, de este fondo primordial.

Los investigadores combinan límites al fondo gravitacional proporcionados por el fondo cósmico de microondas, por los datos de sincronización de conjuntos de púlsares (pulsar timing arrays), por la nucleosíntesis (la formación de hidrógeno, helio y parte del litio) durante el Big Bang, por las oscilaciones acústicas bariónicas (oscilaciones periódicas de la densidad de la materia en el universo) y de los experimentos basados en tierra como LIGO o BICEP2.

Los autores establecen una nueva forma de hacer cosmología de ondas gravitacionales

Como primera consecuencia Lasky et al. establecen una nueva forma de hacer cosmología de ondas gravitacionales y, por otra, establecen nuevas herramientas de análisis de datos que podrían ser un estándar en esta nueva astronomía.

Siendo todo lo anterior importante, quizás lo más interesante de este trabajo es que si, finalmente se detectan ondas gravitacionales primordiales, esas para las que hubo una falsa alarma en marzo de 2014 con los datos de BICEP2, la incorporación de los nuevos datos hará que solo unos pocos modelos teóricos sean compatibles con las limitaciones recalculadas.

Referencia: Lasky et al (2016) Gravitational-Wave Cosmology across 29 Decades in Frequency Physical Review X DOI: 10.1103/PhysRevX.6.011035 

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de laCátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.