Gravitacionalmente hablando, el universo es un lugar ruidoso. Una mezcolanza de ondas gravitacionales de fuentes desconocidas fluye de manera impredecible por el espacio, posiblemente incluso desde el universo primitivo.
Los científicos han estado buscando signos de estas primeras ondas gravitacionales cosmológicas, y un equipo de físicos ha demostrado ahora que dichas ondas deberían tener una firma distinta debido al comportamiento de los quarks y gluones a medida que el universo se enfría. Un hallazgo así tendría un impacto decisivo sobre qué modelos describen mejor el universo casi inmediatamente después del Big Bang. El estudio se publica en la revista Physical Review Letters. .
Los científicos encontraron por primera vez evidencia directa de ondas gravitacionales en 2015 en los interferómetros de ondas gravitacionales LIGO en EE. UU. Se trata de ondas singulares (aunque de pequeña amplitud) procedentes de una fuente particular, como la fusión de dos agujeros negros, que pasan junto a la Tierra. Dichas ondas hacen que los brazos perpendiculares de 4 km de los interferómetros cambien de longitud en cantidades minúsculas (pero diferentes), y la diferencia se detecta mediante cambios en el patrón de interferencia resultante a medida que los rayos láser viajan hacia adelante y hacia atrás en los brazos del detector.
Pero también hay ondas gravitacionales más pequeñas, tantas que parecen ruido. Los científicos han estado buscando diligentemente en medio de este ruido el fondo de ondas gravitacionales estocásticas (estocástico significa determinado aleatoriamente, es decir, impredecible). Pero estas ondas gravitacionales más pequeñas son más difíciles de detectar, y los científicos han recurrido a conjuntos de púlsares de milisegundos, en los que la distancia desde la Tierra a un púlsar distante es la longitud efectiva del brazo del interferómetro.
Los púlsares (estrellas de neutrones en rotación) envían rayos de radiación, algunos en una dirección tal que el rayo pasa por la Tierra, como el rayo de un faro en rotación. Los púlsares tienen un período de revolución extremadamente estable, y cualquier medición de este tiempo de reloj se vería sutilmente alterada por el paso de innumerables ondas gravitacionales más pequeñas que tienen longitudes de onda de años luz.
El año pasado, la colaboración NANOgrav publicó evidencia de que estas ondas gravitacionales estocásticas de baja frecuencia existen en el fondo del espacio-tiempo, al igual que otros grupos. ¿Pero cuál es su fuente? ¿El telón de fondo se origina en fenómenos astrofísicos, como cientos de miles de agujeros negros supermasivos fusionándose, supernovas y similares?
Quizás el fondo se originó en el universo primitivo y sus ondas se han ido propagando desde entonces, similar al fondo cósmico de microondas que llena todo el espacio debido al desacoplamiento de los fotones de los electrones 380.000 años después del Big Bang. ¿O algo más?
Distinguir los escenarios enfrenta desafíos. Los conocimientos actuales sobre la física de los agujeros negros supermasivos aún no están lo suficientemente desarrollados como para sacar conclusiones firmes. Y el espectro continuo de ondas gravitacionales de fondo depende de los detalles microscópicos de su fuente y requiere simulaciones numéricas detalladas.
Este nuevo trabajo proporciona una forma de distinguir las ondas del universo temprano de las de otras fuentes. Los modelos físicos estándar (las teorías exitosas de las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas) deberían dejar una huella distinta en el fondo medido que sea independiente del modelo exacto del universo temprano elegido.
A medida que el universo se fue enfriando desde el momento inicial del Big Bang, pasó por varias fases. Uno de los mencionados 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, dejando a los fotones repentinamente a la deriva.
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 como resultado de la fuerza fuerte, con los gluones atrapados con ellas.
Se espera que este "cruce de cromodinámica cuántica (QCD)" haya ocurrido cuando el universo tenía una temperatura de aproximadamente un billón de Kelvin, aproximadamente 10 -5 segundos después del Big Bang. Esto corresponde a una energía de unos 100 MeV. (QCD es la teoría de la fuerza fuerte).
Resulta que las frecuencias de nanohercios que sondean los conjuntos de temporización de púlsares son del mismo orden que las ondas gravitacionales estocásticas de baja frecuencia observables en el fondo. El cruce no crea las ondas, pero la caída repentina en el número de partículas libres cambia la ecuación que gobierna el estado del universo. Las fuentes de ondas de gravitación antes del cruce QCD producen una señal de baja frecuencia que se ve afectada por este cambio en la ecuación de estado. Los investigadores dicen que ahora se puede buscar esa señal en los datos de la matriz de temporización del púlsar.
"Creemos que una caracterización precisa del fondo de las ondas gravitacionales para diferentes orígenes es un paso crucial para avanzar en esta exploración", afirmó Davide Racco, coautor del artículo del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Stanford.
"Destacamos una característica genérica e inevitable para una amplia gama de fenómenos primordiales que demostramos ser un ingrediente útil para discriminar entre diferentes fuentes del trasfondo."
Tal resultado sería un impacto sorprendente de las complejidades de la física cuántica en el universo que vemos hoy, demostrando una vez más cómo la física de partículas y la cosmología se encuentran en el mismo terreno.
Más información: Gabriele Franciolini et al, Huellas del cruce QCD en ondas gravitacionales cosmológicas en Pulsar Timing Arrays, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.081001
Información de la revista: Cartas de revisión física
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