La revolución en nuestra comprensión del cielo nocturno y nuestro lugar en el universo comenzó cuando pasamos de usar el ojo desnudo a un telescopio en 1609. Cuatro siglos después, Los científicos están experimentando una transición similar en su conocimiento de los agujeros negros al buscar ondas gravitacionales.

En la búsqueda de agujeros negros no detectados previamente que son miles de millones de veces más masivos que el sol, Stephen Taylor, profesor asistente de física y astronomía y ex astrónomo en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA, junto con el Observatorio Norteamericano de Nanohertz de Ondas Gravitacionales (NANOGrav), la colaboración ha hecho avanzar el campo de la investigación al encontrar la ubicación precisa:el centro de gravedad de nuestro sistema solar:con el que medir las ondas gravitacionales que señalan la existencia de estos agujeros negros.

El potencial que presenta este avance, en coautoría con Taylor, fue publicado en la revista The Diario astrofísico en abril de 2020.

Los agujeros negros son regiones de pura gravedad formadas a partir de un espaciotiempo extremadamente deformado. Encontrar los agujeros negros más titánicos del Universo que acechan en el corazón de las galaxias nos ayudará a comprender cómo esas galaxias (incluida la nuestra) han crecido y evolucionado durante miles de millones de años desde su formación. Estos agujeros negros también son laboratorios incomparables para probar supuestos fundamentales sobre física.

Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein. Cuando los agujeros negros se orbitan en pares, irradian ondas gravitacionales que deforman el espacio-tiempo, estirar y apretar el espacio. Las ondas gravitacionales fueron detectadas por primera vez por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) en 2015, abriendo nuevas perspectivas sobre los objetos más extremos del universo. Mientras que LIGO observa ondas gravitacionales relativamente cortas al buscar cambios en la forma de un detector de 4 km de largo, NANOGrav, un Centro de Fronteras de Física de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), busca cambios en la forma de toda nuestra galaxia.

Taylor y su equipo están buscando cambios en la velocidad de llegada de los destellos regulares de ondas de radio de los púlsares. Estos púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente, algunos van tan rápido como una licuadora de cocina. También envían rayos de ondas de radio, apareciendo como faros interestelares cuando estos rayos barren la Tierra. Más de 15 años de datos han demostrado que estos púlsares son extremadamente confiables en sus tasas de llegada de pulsos, actuando como relojes galácticos excepcionales. Cualquier desviación de tiempo que esté correlacionada entre muchos de estos púlsares podría indicar la influencia de las ondas gravitacionales que deforman nuestra galaxia.

"Usando los púlsares que observamos a lo largo de la Vía Láctea, estamos tratando de ser como una araña sentada en silencio en medio de su telaraña, "explica Taylor." Cuán bien entendemos el baricentro del sistema solar es fundamental cuando intentamos sentir incluso el más mínimo cosquilleo en la red ". El baricentro del sistema solar, su centro de gravedad, es el lugar donde las masas de todos los planetas, lunas y los asteroides se equilibran.

¿Dónde está el centro de nuestra web, la ubicación de la quietud absoluta en nuestro sistema solar? No en el centro del sol como muchos podrían suponer, más bien está más cerca de la superficie de la estrella. Esto se debe a la masa de Júpiter y a nuestro conocimiento imperfecto de su órbita. Júpiter tarda 12 años en orbitar alrededor del sol, apenas por debajo de los 15 años que NANOGrav ha estado recopilando datos. La sonda Galileo de JPL (llamada así por el famoso científico que usó un telescopio para observar las lunas de Júpiter) estudió Júpiter entre 1995 y 2003, pero experimentó problemas técnicos que afectaron la calidad de las mediciones tomadas durante la misión.

La identificación del centro de gravedad del sistema solar se ha calculado durante mucho tiempo con datos del seguimiento Doppler para obtener una estimación de la ubicación y las trayectorias de los cuerpos que orbitan alrededor del sol. "El problema es que los errores en las masas y las órbitas se traducirán en artefactos de sincronización de púlsar que bien pueden parecer ondas gravitacionales, "explica el astrónomo y coautor del JPL Joe Simon.

Taylor y sus colaboradores descubrieron que trabajar con modelos del sistema solar existentes para analizar los datos de NANOGrav daba resultados inconsistentes. "No detectamos nada significativo en nuestras búsquedas de ondas gravitacionales entre los modelos del sistema solar, pero obtuvimos grandes diferencias sistemáticas en nuestros cálculos, ", señala el astrónomo del JPL y autor principal del artículo, Michele Vallisneri." Por lo general, más datos ofrecen un resultado más preciso, pero siempre hubo una compensación en nuestros cálculos ".

El grupo decidió buscar el centro de gravedad del sistema solar al mismo tiempo que buscaba ondas gravitacionales. Los investigadores obtuvieron respuestas más sólidas para encontrar ondas gravitacionales y pudieron localizar con mayor precisión el centro de gravedad del sistema solar dentro de los 100 metros. Para entender esa escala, si el sol fuera del tamaño de un campo de fútbol, 100 metros sería el diámetro de un mechón de cabello. "Nuestra observación precisa de los púlsares esparcidos por la galaxia nos ha localizado en el cosmos mejor que nunca antes, "dijo Taylor." Al encontrar ondas gravitacionales de esta manera, además de otros experimentos, obtenemos una visión más holística de todos los diferentes tipos de agujeros negros en el Universo ".

A medida que NANOGrav continúa recopilando datos de sincronización de púlsar cada vez más abundantes y precisos, Los astrónomos confían en que los agujeros negros masivos aparecerán pronto e inequívocamente en los datos.