Fondo de ondas gravitacionales

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El fondo de ondas gravitacionales (también GWB y fondo estocástico ) es un fondo aleatorio de ondas gravitacionales que permean el Universo , que es detectable mediante experimentos de ondas gravitacionales, como los conjuntos de sincronización de púlsares . ^[1] La señal puede ser intrínsecamente aleatoria, como la de los procesos estocásticos en el Universo temprano, o puede ser producida por una superposición incoherente de una gran cantidad de fuentes de ondas gravitacionales independientes débiles no resueltas, como los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos. Detectar el fondo de ondas gravitacionales puede proporcionar información que es inaccesible por cualquier otro medio sobre la población de fuentes astrofísicas, como los hipotéticos sistemas binarios de agujeros negros supermasivos antiguos, y los procesos del Universo temprano, como la hipotética inflación primordial y las cuerdas cósmicas . ^[2]

Se han planteado varias fuentes potenciales para el fondo en varias bandas de frecuencia de interés, y cada una de ellas produce un fondo con diferentes propiedades estadísticas. Las fuentes del fondo estocástico se pueden dividir en dos categorías: fuentes cosmológicas y fuentes astrofísicas.

Los antecedentes cosmológicos pueden surgir de varias fuentes del universo primitivo. Algunos ejemplos de estas fuentes primordiales incluyen campos escalares inflacionarios variables en el tiempo en el universo primitivo, mecanismos de "precalentamiento" después de la inflación que involucran transferencia de energía de partículas inflatonales a materia regular, transiciones de fase cosmológicas en el universo primitivo (como la transición de fase electrodébil ), cuerdas cósmicas , etc. Si bien estas fuentes son más hipotéticas, la detección de un fondo de ondas gravitacionales primordiales a partir de ellas sería un descubrimiento importante de nueva física y tendría un profundo impacto en la cosmología del universo primitivo y en la física de alta energía . ^{[3] [4]}

Un fondo astrofísico se produce por el ruido combinado de muchas fuentes astrofísicas débiles, independientes y no resueltas. ^[2] Por ejemplo, se espera que el fondo astrofísico de las fusiones de agujeros negros binarios de masa estelar sea una fuente clave del fondo estocástico para la generación actual de detectores de ondas gravitacionales terrestres. Los detectores LIGO y Virgo ya han detectado eventos de ondas gravitacionales individuales de tales fusiones de agujeros negros. Sin embargo, habría una gran población de tales fusiones que no serían resolubles individualmente, lo que produciría un zumbido de ruido de aspecto aleatorio en los detectores. Otras fuentes astrofísicas que no son resolubles individualmente también pueden formar un fondo. Por ejemplo, una estrella suficientemente masiva en la etapa final de su evolución colapsará para formar un agujero negro o una estrella de neutrones ; en el colapso rápido durante los momentos finales de un evento de supernova explosivo , que puede conducir a tales formaciones, las ondas gravitacionales pueden liberarse teóricamente. ^{[5] [6]} Además, en las estrellas de neutrones que giran rápidamente hay toda una clase de inestabilidades impulsadas por la emisión de ondas gravitacionales. ^{[ cita requerida ]}

La naturaleza de la fuente también depende de la banda de frecuencia sensible de la señal. La generación actual de experimentos terrestres como LIGO y Virgo son sensibles a las ondas gravitacionales en la banda de frecuencia de audio entre aproximadamente 10 Hz y 1000 Hz. En esta banda, la fuente más probable del fondo estocástico será un fondo astrofísico proveniente de fusiones de estrellas de neutrones binarias y agujeros negros binarios de masa estelar. ^[7]

Un medio alternativo de observación es el uso de conjuntos de sincronización de pulsares (PTA, por sus siglas en inglés). Tres consorcios (el European Pulsar Timing Array [EPTA], el North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves [NANOGrav] y el Parkes Pulsar Timing Array [PPTA]) se coordinan como el International Pulsar Timing Array . Utilizan radiotelescopios para monitorear el conjunto galáctico de pulsares de milisegundos, que forman un detector a escala galáctica sensible a las ondas gravitacionales con frecuencias bajas en el rango de nanohercios a 100 nanohercios. Con los telescopios existentes, se necesitan muchos años de observación para detectar una señal, y la sensibilidad del detector mejora gradualmente. Los límites de sensibilidad se están acercando a los esperados para las fuentes astrofísicas. ^[8]

En los centros de las galaxias se encuentran agujeros negros supermasivos con masas de 10 ⁵ –10 ⁹ masas solares . No se sabe qué surgió primero, los agujeros negros supermasivos o las galaxias, ni cómo evolucionaron. Cuando las galaxias se fusionan, se espera que sus agujeros negros supermasivos centrales también lo hagan. ^[9] Estos sistemas binarios supermasivos producen potencialmente las señales de ondas gravitacionales de baja frecuencia más fuertes; los más masivos de ellos son fuentes potenciales de un fondo de ondas gravitacionales de nanohercios, que en principio es detectable por los PTA . ^[10]

El 11 de febrero de 2016, las colaboraciones LIGO y Virgo anunciaron la primera detección y observación directa de ondas gravitacionales, que tuvo lugar en septiembre de 2015. En este caso, dos agujeros negros habían colisionado para producir ondas gravitacionales detectables. Este es el primer paso hacia la posible detección de una onda gravitacional de gran tamaño. ^{[13] [14]}

El 28 de junio de 2023, la colaboración del Observatorio Nanohertz de Ondas Gravitacionales de América del Norte anunció evidencia de una GWB utilizando datos de observación de una matriz de púlsares de milisegundos . ^{[15] [16]} Las observaciones de EPTA , ^[17] el Observatorio Parkes ^[18] y la Matriz de Sincronización de Púlsares de China (CPTA) ^{[19] [20]} también se publicaron el mismo día, proporcionando una validación cruzada de la evidencia de la GWB utilizando diferentes telescopios y métodos de análisis. ^{[21] Estas observaciones proporcionaron la primera medición de la} curva teórica de Hellings-Downs , es decir, la correlación cuadrupolar y multipolar superior entre dos púlsares en función de su separación angular en el cielo, que es un signo revelador del origen de la onda gravitacional del fondo observado. ^{[22] [23]}

Las fuentes de este fondo de ondas gravitacionales no se pueden identificar sin más observaciones y análisis, aunque los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos son los principales candidatos. ^[1]

• Radiación cósmica de fondo
• Fondo cósmico de microondas
• Fondo de neutrinos cósmicos
• Astronomía de ondas gravitacionales

• Experimentos de ondas gravitacionales y cosmología del universo primitivo