El Observatorio Norteamericano de Nanohercios de Ondas Gravitacionales (NANOGrav) es un detector de ondas gravitacionales que monitorea áreas cercanas a la Tierra usando una red de púlsares (es decir, estrellas en forma de reloj). A finales de 2020, la colaboración NANOGrav reunió evidencia de fluctuaciones en los datos de sincronización de 45 púlsares, que podría ser compatible con una señal de fondo de onda gravitacional estocástica (SGWB) a frecuencias de nanohercios.

Estas ondas gravitacionales podrían estar potencialmente vinculadas a las fusiones de agujeros negros extremadamente masivos. Equipos de físicos teóricos de todo el mundo, sin embargo, han proporcionado explicaciones alternativas para las ondas gravitacionales observadas por NANOGrav. Algunos grupos han sugerido que podrían haber sido producidos por filamentos superdensos conocidos como cuerdas cósmicas, mientras que otros plantearon la hipótesis de que podrían haberse generado durante el nacimiento de los agujeros negros primordiales.

Una interpretación de cadena cósmica de los datos de NANOGrav.

John Ellis y Marek Lewicki, dos investigadores del King's College London y la Universidad de Varsovia, ofreció recientemente una interpretación teórica de cuerdas cósmicas de los nuevos datos de NANOGrav. Demostraron que la señal SGWB que NANOGrav pudo haber observado podría ser producida por una red de cuerdas cósmicas nacidas en el universo temprano. Los investigadores teorizaron que esta red evolucionaría a medida que el universo se expandiera, produciendo bucles cerrados cuando las cuerdas chocan. Estos bucles luego se descompondrían lentamente en ondas gravitacionales, resultando en la señal detectada por NANOGrav.

"Demostramos que las cuerdas cósmicas se ajustan muy bien a la señal NANOGrav, ligeramente mejor que la posible fuente alternativa de binarios de agujeros negros supermasivos, "Dijeron Ellis y Lewicki." Además, demostramos que nuestra hipótesis será sencilla de probar en futuros observatorios de ondas gravitacionales como LISA ".

"Nuestra investigación se basa en años de trabajo de muchos grupos que hicieron posible cálculos precisos de la señal de onda gravitacional producida por cuerdas cósmicas, "Ellis y Lewicki le dijeron a Phys.org." Nos pusimos en acción tan pronto como nos enteramos de los nuevos datos prometedores de la colaboración NANOGrav, para comprobar qué tan buena candidata sería una red de cuerdas cósmicas para explicar los datos ".

El artículo de Ellis y Lewicki señala que la historia de expansión del universo también está codificada en la señal. Esto se debe a que la red de cuerdas cósmicas que describen emitiría una señal a lo largo de la historia del universo y todas las características en la expansión del universo dejarían una huella coincidente en el espectro de la señal que luego podría ser probada por futuros detectores.

"Gracias a la fuerza de la señal necesaria para explicar los datos de NANOGrav, esto permitiría que la historia del universo se remontara a tiempos mucho antes de lo que se pensaba anteriormente, justificando estudios adicionales, "Ellis y Lewicki dijeron." Actualmente estamos trabajando para AION y AEDGE, que son nuevos experimentos propuestos que podrían en el futuro sondear una parte diferente de la historia del universo que NANOGrav o LISA, y potencialmente probar nuestra interpretación de los datos de NANOGrav ".

La señal NANOGrav como primera evidencia de cuerdas cósmicas

Paralelamente al trabajo de Ellis y Lewicki, Los investigadores del Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) y el CERN también intentaron demostrar teóricamente que las ondas gravitacionales de las cuerdas cósmicas son una explicación bien motivada y perfectamente viable para la señal de sincronización del púlsar detectada por NANOGrav. Su papel publicado en Cartas de revisión física , se basa en una serie de estudios previos en el campo de la astronomía de ondas gravitacionales.

"Desde la innovadora detección de ondas gravitacionales por LIGO en 2015, el campo de la astronomía de ondas gravitacionales ha seguido progresando a un ritmo impresionante, "Kai Schmitz del CERN, uno de los autores del artículo, dijo Phys.org. "Hasta ahora, todas las señales observadas fueron causadas por eventos astrofísicos como las fusiones de agujeros negros binarios. Estos eventos se denominan 'transitorios' y solo conducen a señales de corta duración en los detectores de ondas gravitacionales. El siguiente gran paso en la astronomía de ondas gravitacionales será, por lo tanto, la detección de un 'fondo' estocástico de ondas gravitacionales, una señal que está constantemente presente, llegando a nosotros desde todas las direcciones en el espacio ".

La detección de señales gravitacionales 'de fondo' podría asociarse con una variedad más amplia de fenómenos astrofísicos y cosmológicos, que van desde fusiones binarias hasta eventos que tuvieron lugar en el universo temprano. Notablemente, tal señal SGWB también podría ser el equivalente de onda gravitacional de la señal de fondo cósmico de microondas (CMB), que es esencialmente el resplandor del Big Bang en la radiación electromagnética y en las frecuencias de microondas.

"Como físicos de partículas, estamos particularmente interesados ​​en las contribuciones primordiales al SGWB, que prometen codificar una gran cantidad de información sobre la dinámica del universo temprano y, por lo tanto, la física de partículas a las energías más altas, ", Dijo Schmitz." Las posibles fuentes de ondas gravitacionales primordiales podrían ser la inflación cósmica, transiciones de fase en la estructura de vacío del universo primitivo y las cuerdas cósmicas. En nuestros proyectos anteriores, ya habíamos explorado las tres posibilidades ".

En su estudio reciente, Schmitz y sus colegas de MPIK, Simone Blasi y Vedran Brdar, plantearon la hipótesis de que los datos de sincronización del púlsar recopilados por NANOGrav podrían ser la primera evidencia de cuerdas cósmicas. Se teoriza que las cuerdas cósmicas son los remanentes de las transiciones de fase a energías extremadamente altas, posiblemente cerca de la escala de energía de la gran unificación (es decir, las energías a las que se predice que todas las fuerzas subatómicas de la naturaleza se unirán en una fuerza común).

"En este caso, es poco probable que la transición de fase que da origen a las cuerdas cósmicas conduzca a una señal observable en las ondas gravitacionales mismas, ya sea porque simplemente no produce ninguna señal apreciable o porque la señal está ubicada en alto, frecuencias no observables, ", Dijo Schmitz." Cuerdas cósmicas, sin embargo, los restos de la transición de fase, tienen la oportunidad de producir una gran señal en ondas gravitacionales que, si se detecta, puede hablarnos de las simetrías y fuerzas que gobernaron el universo durante los primeros momentos de su existencia ".

En el pasado, Los físicos han propuesto una serie de modelos teóricos que especulan sobre qué tipos de nueva física podrían dar lugar a una red de hilos cósmicos en el universo primitivo. En algunos de sus estudios anteriores, Schmitz, Blasi y Brdar se centraron específicamente en la idea de que las cuerdas cósmicas podrían estar relacionadas con el origen de las masas de neutrinos y la asimetría cósmica entre la materia y la antimateria.

"Esta conexión entre ondas gravitacionales, cuerdas cósmicas y el llamado mecanismo de balancín, la realización más estudiada de la generación de masa de neutrinos, fue explorado en numerosos estudios, tanto por nosotros como por otros equipos, ", Dijo Schmitz." Las cuerdas cósmicas de este tipo se conocen como 'cuerdas B-L cósmicas, "ya que resultan de una transición de fase cosmológica que conduce a la violación de la simetría BL (B menos L); donde BL representa la diferencia del número de bariones (B) y leptones (L). La simetría BL juega un papel importante en el balancín mecanismo; sólo la "ruptura" de esta simetría en el universo temprano allana el camino para un estado físico del universo en el que los neutrinos pueden adquirir masa a través del mecanismo de balancín ".

Schmitz y sus colegas ya han teorizado sobre las ondas gravitacionales que podrían surgir de las cuerdas B-L cósmicas en un artículo publicado en 2020. En este trabajo anterior, se centraron específicamente en el espectro de ondas gravitacionales a frecuencias más altas, explorar la posibilidad de sondear rincones especiales del espacio de parámetros que son relevantes desde la perspectiva del mecanismo de balancín.

"Cuando escuchamos por primera vez sobre el nuevo resultado de NANOGrav, estábamos completamente preparados para comparar nuestras predicciones para una señal de onda gravitacional inducida por cuerdas cósmicas con la señal en los datos de NANOGrav, ", Dijo Schmitz." Por lo tanto, inmediatamente comenzamos a calcular el espectro de ondas gravitacionales de las cuerdas cósmicas en el rango de frecuencia de nanohercios. A diferencia de nuestro análisis de abril de 2020, ya no nos centramos en las cuerdas B-L cósmicas, pero consideradas cuerdas cósmicas en un sentido más general, permaneciendo agnóstico sobre los detalles de su origen a muy altas energías ".

En su estudio reciente, Schmitz, Blasi y Brdar querían mostrar que la señal observada por NANOGrav podría reflejar las ondas gravitacionales producidas por cuerdas cósmicas. Es más, intentaron trazar el mapa de toda la región viable en el espacio de parámetros de la cadena cósmica que permitiría ajustar los datos.

"En el presente, es importante ser cauteloso, ya que aún no está claro si NANOGrav realmente ha detectado un fondo de ondas gravitacionales, ", Dijo Schmitz." Con este fin, En primer lugar, es necesario detectar un patrón de correlación específico entre los residuos de tiempo de los púlsares individuales. Este patrón se puede representar como un gráfico que muestra la correlación entre pares de púlsares en función del ángulo que separa dos púlsares en el cielo; este gráfico es la famosa curva Hellings-Downs ".

Para confirmar que la señal detectada por NANOGrav se deriva de ondas gravitacionales, Los físicos primero tendrían que demostrar que se ajusta a la curva Hellings-Downs. Si bien los datos parecen estar bastante alineados con esta interpretación, Los investigadores aún deben reunir pruebas suficientes del patrón de Helling-Downs que emerge en los datos. Estudios en curso y futuros, sin embargo, En última instancia, podría determinar la validez de la señal de sincronización del púlsar NANOGrav y medir algunas de sus propiedades con mayor precisión. Medir las propiedades de la señal NANOGrav (p. Ej., si sube / baja en función de la frecuencia y, si es así, qué tan rápido sube / baja) podría ayudar a determinar sus posibles fuentes.

"Todo lo que podemos decir es que en el presente, Las ondas gravitacionales de las cuerdas cósmicas son una explicación perfectamente viable de la señal, ", Dijo Schmitz." Las cuerdas cósmicas dan como resultado la amplitud A correcta de la señal; dan como resultado un índice gamma espectral que es perfectamente consistente con los límites NANOGrav de este parámetro; y los valores gamma predichos son incluso levemente (pero solo un poco) mejores de acuerdo con los datos que el valor gamma =13/3 predicho por binarios de agujeros negros supermasivos ".

En general, el estudio realizado por Schmitz, Blasi y Brdar demuestran teóricamente que las cuerdas cósmicas podrían ser una explicación viable de la señal NANOGrav. Es más, los investigadores demostraron que la interpretación de la cuerda cósmica funciona para una amplia gama de los dos parámetros de la cuerda cósmica en los que se centraron en su artículo:la tensión de la cuerda cósmica Gmu y el tamaño alfa del bucle de la cuerda cósmica.

"Esto hace que la interpretación de las cuerdas cósmicas sea flexible y abre muchas posibilidades con respecto al posible origen de las cuerdas cósmicas, ", Explicó Schmitz." Los bucles grandes con una pequeña tensión pueden explicar la señal, bucles más pequeños con una tensión algo mayor pueden explicar la señal, etc. "

Además de demostrar teóricamente que la señal NANOGrav podría reflejar cuerdas cósmicas, los investigadores demostraron que los futuros experimentos de ondas gravitacionales a frecuencias más altas sondearán un gran espacio de parámetros viables. Este hallazgo sugiere que las ondas gravitacionales de las cuerdas cósmicas pueden ser un punto de referencia ideal para la astronomía de ondas gravitacionales multifrecuencia.

"A diferencia de muchas otras explicaciones de la señal NANOGrav, predecimos que las cuerdas cósmicas también conducirán a una señal que se observará en experimentos terrestres de próxima generación y basados ​​en el espacio, ", Dijo Schmitz." Este aspecto de nuestra interpretación destaca la complementariedad de estas mediciones en frecuencias bajas y altas. Una detección positiva a altas frecuencias permitirá especialmente reconstruir la historia de expansión del universo temprano ".

El parámetro Gmu, caracterizando la tensión de la cuerda cósmica, o energía por unidad de longitud, puede traducirse en una estimación de la escala de energía a la que supuestamente se formaron las cuerdas cósmicas en el universo primitivo. Los valores de Gmu que Schmitz y sus colegas encontraron en su análisis apuntan a una escala de energía en el rango de 10 ¹⁴ a 10 ^dieciséis GeV.

"Estos son valores típicos que también se encuentran en las grandes teorías unificadas (GUT) que describen la unificación de fuerzas subatómicas a muy altas energías, ", Explicó Schmitz.

"Nuestros resultados, por lo tanto, son consistentes con la idea de una gran unificación y la ruptura de ciertas simetrías en el universo temprano que resultan en la creación de una red de hilos cósmicos".

Si bien los análisis teóricos llevados a cabo por este equipo de investigadores son muy reveladores, Es importante señalar que los modelos de la señal de ondas gravitacionales que se producirían a partir de cuerdas cósmicas están asociados con algunas incertidumbres teóricas. Por ejemplo, dos de los enfoques más utilizados para estudiar la dinámica de cuerdas cósmicas en simulaciones por computadora a gran escala, a saber, los enfoques de "cadenas de Nambu-Goto" y "cadenas de Abelian Higgs", no siempre conducen a los mismos resultados.

"En nuestro trabajo, hacemos uso de simulaciones de cadenas Nambu-Goto, ", Agregó Schmitz." A largo plazo, Sería interesante resolver la discrepancia entre estos dos enfoques, cuales, sin embargo, es una tarea muy desafiante. Mientras tanto, por lo tanto, planeamos proceder en pasos más pequeños y mejorar sucesivamente la descripción Nambu-Goto de las cuerdas cósmicas ".

En la aproximación Nambu-Goto, las cuerdas cósmicas son más o menos sin rasgos, ya que se describen como objetos unidimensionales que transportan una cierta cantidad de energía por unidad de longitud.

Es posible que esta representación no refleje realmente las propiedades de las cuerdas cósmicas en escenarios reales.

"Las cuerdas cósmicas pueden en realidad transportar una corriente eléctrica, pueden perder energía a través de la emisión de partículas elementales además de la emisión de ondas gravitacionales, etc., ", Dijo Schmitz." En nuestros próximos estudios, por lo tanto, planeamos dar cuenta de estos refinamientos paso a paso e investigar cómo estos aspectos más sofisticados pueden manifestarse en el espectro de ondas gravitacionales. Al mismo tiempo, no creemos que estos refinamientos invaliden nuestra interpretación de cuerda cósmica de la señal NANOGrav ".

Los datos de NANOGrav como indicación de agujeros negros primordiales

Algunos investigadores también han presentado explicaciones para los datos de NANOGrav que no ven la señal en el contexto de cadenas cósmicas. Por ejemplo, Un equipo de la Université de Genève sugirió que dicha señal SGWB también podría generarse mediante la formación de agujeros negros primordiales a partir de las perturbaciones generadas a medida que el universo se expandía.

"Proporcionamos una posible interpretación de la señal de espectro común, inducida por ondas gravitacionales generadas en el universo temprano en relación con el nacimiento de los agujeros negros primordiales, que son agujeros negros formados en épocas tempranas durante la evolución del universo, "Antonio Riotto, Valerio De Luca y Gabriele Franciolini, los tres investigadores que realizaron el estudio, le dijo a Phys.org por correo electrónico. "Los agujeros negros primordiales con masas no muy lejos de la masa típica de los asteroides pueden comprender la totalidad de la materia oscura en el universo y, su proceso de formación deja tras de sí un fondo estocástico de ondas gravitacionales que explican los datos de NanoGrav ".

Según Riotto, De Luca y Franciolini, la idea de que toda la materia oscura en el universo está hecha de agujeros negros primordiales y el hecho de que su formación debería dejar una señal SGWB similar a la detectada por NANOGrav podría parecer no tener relación, sin embargo, podrían estar conectados de formas interesantes. Por ejemplo, si los agujeros negros primordiales constituían la totalidad de la materia oscura del universo, no sería necesario aportar explicaciones especulativas para describir o explicar la existencia de materia oscura, ya que en realidad estaría compuesto de materia 'ordinaria', con los que los físicos ya están familiarizados.

"En efecto, si la materia oscura está formada por agujeros negros primordiales, uno no necesitaría invocar algunas explicaciones especulativas para explicar la materia oscura:los agujeros negros primordiales son, De hecho, hecho de la misma materia ordinaria que conocemos, "explicaron los investigadores." Nuestro estudio proporciona una explicación económica de la señal detectada por la colaboración NANOGrav con una elegante conexión con la búsqueda de la materia oscura, que podría investigarse más a fondo con la ayuda de futuros experimentos de ondas gravitacionales como LISA, un interferómetro espacial ".

La señal de fondo de ondas gravitacionales que De Luca, Franciolini y Riotto predijeron que serían producidos por agujeros negros primordiales que pronto podrían ser probados en otros rangos de frecuencia (por ejemplo, alrededor de frecuencias de milihercios). En sus próximos estudios, Por lo tanto, los investigadores planean buscar evidencia de la existencia de agujeros negros primordiales generados en el universo temprano mediante el análisis de nuevos datos de ondas gravitacionales en otras frecuencias.

"En particular, deseamos hacer predicciones sobre la cantidad de ondas gravitacionales que se detectarán en experimentos futuros, como LISA o el telescopio europeo de Einstein, un detector subterráneo, detectará, ", dijeron los investigadores.

En el futuro cercano, la colaboración NANOGrav intentará confirmar la validez de la señal detectada. Mientras tanto, Los físicos teóricos de todo el mundo todavía están trabajando en numerosas teorías interesantes que podrían explicar la naturaleza de esta señal. The papers published by these teams at Max-Planck-Institut für Kernphysik, CERN, King's College London, the University of Warsaw and the Université de Genève offer particularly noteworthy interpretations that could be confirmed or refuted by future studies.

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