La setmana científica ha estat marcada per l’anunci de NANOGrav de la publicació a The Astrophysical Journal Letters d’una sèrie d’investigacions sobre l’univers de les ones gravitacionals de baixa freqüència. NANOGrav és una col·laboració internacional dedicada a l’estudi d’aquestes interaccions a través de les interferències que produeixen en la ritmicitat observable de radiopúlsars.
NANOGrav convocà ahir dijous 29 una roda de premsa des de la National Science Foundation per comunicar resultats de les anàlisis de 15 anys de dades, en la que hi intervingueren l’astrofísic Stephen Taylor, l’astrònoma Thankful Cromartie, l’astrofísic Michael Lam, l’astrofísic teòric Luke Kelley i l’astrofísica Maura McLaughlin.
Les ones gravitacionals
Projectes com la LIGO Scientific Collaboration han estat pioners en la detecció directa d’ones gravitacionals. Val a dir, però, que les ones gravitacionals que detecta LIGO o VIRGO són les més potents, les que resulten de la fusió d’objectes astronòmics massius.
Anys abans que LIGO reportés la primera detecció directa d’una ona gravitatòria, concretament en el 2004, naixia el North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOgrav), dedicat a la detecció indirecta d’ones gravitacionals de baixa freqüència. Aquesta detecció indirecta es fa a través de l’observació de púlsars que tenen un període de l’ordre de milisegons. De fet, les dades que s’han presentat aquesta setmana consisteixen en 15 anys d’observacions de radioones de 68 púlsars a través de l’Observatori d’Arecibo, el Green Bank Telescope i el Very Large Array.
D’aquests 68 púlsars, n’hi ha 67 amb tres o més anys de dades sobre periodicitat. Aquests 67 púlsars es poden aparellar en 2211 combinacions per tal d’analitzar la correlació entre la mesura de periodicitat i la separació angular dels púlsars. La predicció Hellings-Downs, basada en la teoria general de la relativitat, assumeix que la correlació seria gairebé nul·la entre parelles de radiopúlsars separats per distàncies angules de l’esfera celeste entre 60˚ i 120˚. Les dades 15 anys d’observacions de NANOGrav encaixen amb aquesta predicció.
Les dades de 15 anys de NANOGrav ofereixen informació sobre el rerefons d’ones gravitacionals del nostre univers. Aquest rerefons és el resultat de sistemes binaris de forats negres en els que dos components tendeixen a convergir en el baricentre comú. Si el projecte LIGO observa individualment algunes d’aquestes fusions, el projecte NANOGrav ofereix un retrat de conjunt (Agazie et al., 2023a).
Observacions de 68 púlsars
En essència les dades de NANOGrav consisteixen en el monitoratge, a través dels més potents radiotelescopis, de púlsars de període de l’ordre de milisegons. Aquest monitoratge s’ha fet fonamentalment des del Green Bank Telescope, però també hi ha dades del desaparegut Radiotelescopi d’Arecibo i del Very Large Array (Agazie et al., 2023b). De cada púlsar hi ha dades de període sobre diverses freqüències de radioones de cada poques setmanes. El primer objectiu d’aquestes observacions és determinar amb una alta precisió solucions de periodicitat per a cadascun dels púlsars (Agazie et al., 2023c). Seguidament es fan una modelització dels diversos processos que hi ha al darrera de les irregularitats que afecten els períodes de rotació intrínsecs del púlsar. Aquesta correcció de soroll permet predir el temps d’arribada de cada pols amb una precisió inferior al microsegon per dècada. Precisions de l’ordre de 10-16 són necessàries per tindre la sensibilitat suficient per detectar ones gravitacionals de la banda de nanohertz.
NANOgrav i la nova física
El primer senyal detectable d’ones gravitatòries de nHz per NANOgrav consisteix en un fons estocàstic, resultat de la superposició d’un gran nombre de fonts individuals d’ones gravitacionals. Aquest fons d’ones gravitacionals indueix un “soroll vermell” en les discrepàncies entre el períodes observats dels radiopúlsars i els períodes predits. Aquest soroll és més potent com inferior siguin les freqüències de fluctuació. Hellings & Downs (1983) estimaren el límit superior d’aquesta radiació gravitacional isotròpica a través de dades dels púlsars PSR 1133 + 16, PSR 1237 + 25, PSR 1604-00 i PSR 2045-16. La corba Hellings-Downs es basa en la relativitat general, concretament en l’acció que el camp gravitatori de la Terra produiria sobre les ones gravitacionals. D’aquesta manera la correlació entre observacions i prediccions del període de dos radiopúlsars seria funció de la separació angular existent entre els dos radiopúlsar, és a dir la distància angular que presenten les seves posicions aparents en l’esfera celeste.
Ara fa uns tres, quan NANOgrav analitzava 12,5 anys de dades, hi havia un fort indici d’un procés comú de soroll vermell. En afegir ara 2,5 anys més d’observacions, ja tot indica que aquest soroll vermell és el producte del fons d’ones gravitacionals en el que la pròpia Terra es troba submergida.
L’avenç entre NANOgrav12.5 i NANOgrav15, és que en el segon s’hi han sumat línies de base més llargues, i les dades de 20 púlsars que no eren presents en el primer. També ha crescut la complexitat d’algoritmes, tècniques i codis emprats per NANOgrav i per altres projectes internacionals de periodicitat de púlsars. Tant les anàlisis freqüentistes com les bayesianes indiquen l’acció d’aquest fons d’ones gravitacionals.
Afzal et al. (2023) exploren les possibles interpretacions cosmològiques d’aquest fons d’ones gravitacionals, particularment pel que fa a la inflació còsmica, la inducció escalar d’ones gravitacionals, les transicions de fase de primer ordre, les cordes còsmiques i els murs de domini. Un ampli ventall de models cosmològiques pot reproduir el senyal observat per NANOgrav. Ara bé, cordes còsmiques estables originades en la teoria de camp no poden reproduir aquest senyal. Pel que fa a la interpretació estàndard dels forats negres massius binaris inspirals (SMBHBs) com a fonts d’ones gravitacionals, cal dir que molts altres models cosmològics ajusten molt millor. És això un indici d’una nova física? Afzal et al. s’hi resisteixen aquesta conclusió, ja que no tenim prou dades de la població SMBHB.
Afzal et al. també han explorat si en el senyal detectat per NANOgrav hi ha indicis de la presència de subestructures de matèria fosca (ultralleugera o no) en la Via Làctia. No n’hi troben, de manera que proposen uns límits superiors a les dimensions d’aquestes subestructures.
Lligams:
- NANOGrav’s 15-Year Data Release, comunicat de premsa de NANOGrav del 28 de juny.
- Focus on NANOGrav's 15 yr Data Set and the Gravitational Wave Background. The NANOGrav Collaboration. The Astrophysical Journal Letters. Article introductori.
- The NANOGrav 15 yr Data Set: Evidence for a Gravitational-wave Background. ApJL 951 L8 (2023)
- The NANOGrav 15 yr Data Set: Observations and Timing of 68 Millisecond Pulsars. ApJL 951 L9 (2023).
- The NANOGrav 15 yr Data Set: Detector Characterization and Noise Budget. ApJL 951 L10 (2023).
- The NANOGrav 15 yr Data Set: Search for Signals from New Physics. ApJL 951 L11 (2023).
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada