Un equipo de físicos teóricos ha propuesto una nueva forma de poner a prueba una de las predicciones más intrigantes de la teoría de la relatividad general de Einstein: la memoria gravitatoria.
Este efecto se refiere a un cambio permanente en la estructura del universo causado por el paso de ondas espacio-temporales conocidas como ondas gravitatorias. Aunque estas ondas ya han sido detectadas por observatorios como el Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO) y el interferómetro Virgo, la huella persistente de las ondas sigue siendo esquiva.
Los investigadores sugieren que el fondo cósmico de microondas (un débil resplandor que quedó del Big Bang) podría llevar las señales de poderosas ondas gravitatorias de fusiones de agujeros negros distantes. El estudio de estas señales no solo podría confirmar la predicción de Einstein, sino también arrojar luz sobre algunos de los eventos más energéticos en la historia del universo.
“La observación de este fenómeno puede aportarnos más conocimiento sobre diferentes campos de la física”, explica a Live Science por correo electrónico Miquel Miravet-Tenés, estudiante de doctorado de la Universidad de Valencia y coautor del estudio. “Al tratarse de una predicción directa de la teoría de la relatividad general de Einstein, su observación serviría como confirmación de la teoría, ¡de forma muy similar a lo que ha hecho la observación de ondas gravitacionales por parte de LIGO, Virgo y KAGRA [el detector de ondas gravitacionales de Kamioka]! También puede utilizarse como una herramienta adicional para estudiar algunos escenarios astrofísicos, ya que puede contener información sobre el tipo de eventos que generan memoria, como las supernovas o las colisiones de agujeros negros”.
Cómo las ondas gravitacionales dejan huella en el cosmos
Según la relatividad general, los objetos masivos que deforman el espacio-tiempo pueden generar ondulaciones que viajan por el universo a la velocidad de la luz. Estas ondas gravitacionales surgen cuando los cuerpos masivos se aceleran, como cuando dos agujeros negros se enroscan en espiral hacia dentro y se fusionan.
A diferencia de las ondas ordinarias que pasan a través de la materia y la dejan inalterada, las ondas gravitacionales pueden alterar permanentemente la estructura del propio espacio-tiempo. Esto significa que cualquier objeto que atraviesen, incluidas las partículas elementales de luz conocidas como fotones, pueden experimentar un cambio duradero en la velocidad o la dirección. Como resultado, la luz que viaja a través del cosmos podría llevar un recuerdo de eventos pasados de ondas gravitacionales impresos en sus propiedades.
Los investigadores exploraron si este efecto podría observarse en el fondo cósmico de microondas, un campo de radiación remanente que ha estado viajando a través del espacio desde que el universo tenía solo una fracción del 1% de su edad actual. Los cambios sutiles en la temperatura de esta radiación podrían contener pistas sobre las ondas gravitacionales de antiguas fusiones de agujeros negros.
“Podemos aprender muchas cosas”, dijo a Live Science Kai Hendriks, estudiante de doctorado en el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague y otro coautor del estudio, en un correo electrónico. “Por ejemplo, medir la memoria gravitatoria en una señal de onda gravitatoria nos da más información sobre las propiedades de los dos agujeros negros que produjeron esta señal; cuán pesados eran esos agujeros negros o cuán lejos están de nosotros”.
Pero las implicaciones se extienden más allá de las fusiones de agujeros negros individuales. Si la huella de la memoria gravitatoria se puede detectar en el fondo cósmico de microondas, podría revelar si los agujeros negros supermasivos se fusionaron con más frecuencia en el universo primitivo que en la actualidad. Esto podría ofrecer nuevos conocimientos sobre cómo las galaxias y los agujeros negros han evolucionado a lo largo del tiempo cósmico.
Medición de la huella
Para determinar si se podía detectar el efecto de la memoria, el equipo calculó cómo las fusiones de agujeros negros influyen en el fondo cósmico de microondas. Su análisis mostró que estos eventos violentos deberían dejar cambios mensurables en la radiación de fondo, y que la intensidad de la señal depende de la masa de los agujeros negros y de la frecuencia con la que se produjeron dichas fusiones a lo largo de la historia.
“La longitud de onda de la luz está directamente relacionada con su temperatura: una longitud de onda pequeña significa una temperatura alta y una longitud de onda grande significa una temperatura baja”, dijo a Live Science en un correo electrónico David O’Neill, estudiante de doctorado en el Instituto Niels Bohr y otro coautor del estudio. “Parte de la luz afectada por la memoria de las ondas gravitacionales se vuelve ‘más caliente’, mientras que parte de la otra luz se vuelve ‘más fría’. Las regiones de luz caliente y fría forman una especie de patrón en el cielo. Predecimos que este patrón estará presente en el fondo cósmico de microondas, aunque bastante débil”.
Aunque los telescopios actuales capaces de detectar la radiación de microondas, como el satélite Planck, han cartografiado el fondo cósmico de microondas con un detalle exquisito, se espera que los cambios de temperatura causados por la memoria de las ondas gravitacionales sean extremadamente pequeños, del orden de una billonésima de grado. Esto hace que sea difícil observarlos con la tecnología actual. Sin embargo, los telescopios futuros con mayor sensibilidad pueden ser capaces de detectar estas distorsiones sutiles, proporcionando una nueva forma de investigar las influencias gravitacionales invisibles que han dado forma al universo.
Refinando los modelos para futuras pruebas
Si bien el estudio demuestra que la memoria de las ondas gravitacionales debería dejar un rastro en el fondo cósmico de microondas, los investigadores reconocen que sus cálculos se basaron en suposiciones simplificadas. Se necesitarán modelos más refinados antes de poder hacer predicciones definitivas.
Por ejemplo, el equipo asumió inicialmente que todos los agujeros negros en fusión tenían la misma masa, mientras que en realidad, sus masas pueden variar significativamente. Los agujeros negros supermasivos varían de unos pocos millones a decenas de miles de millones de veces la masa del Sol, lo que significa que su influencia en el fondo cósmico de microondas también será diferente. Tener en cuenta esta variación será importante en futuros estudios.
“En este momento, el efecto que estamos estudiando es increíblemente sutil. Sin embargo, es posible que en ciertas regiones del cielo sea inesperadamente fuerte”, dijo Hendriks. “Para explorar esto, necesitamos modelos más avanzados que tengan en cuenta toda la evolución del universo. ¡Así que no es una tarea fácil! Pero esto podría acercarnos a detectar esta huella cósmica y descubrir nuevos conocimientos sobre la evolución del universo”.
Fuente: Live Science.
