Fondo de ondas gravitacionales

Los fondos cosmológicos pueden surgir de varias fuentes del universo temprano. Se han realizado esfuerzos continuos para detectar ondas gravitacionales relictas originadas directamente por la inflación. ^{[ 3 ]} Algunos ejemplos de estas fuentes primordiales incluyen campos escalares inflacionarios variables en el tiempo en el universo temprano, mecanismos de "precalentamiento" después de la inflación que implican la transferencia de energía de partículas inflatón a materia regular, transiciones de fase cosmológicas en el universo temprano (como la transición de fase electrodébil ), cuerdas cósmicas , etc. Si bien estas fuentes son más hipotéticas, la detección de un fondo de ondas gravitacionales primordiales provenientes de ellas sería un descubrimiento importante de nueva física y tendría un profundo impacto en la cosmología del universo temprano y en la física de altas energías . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Un fondo astrofísico se produce por el ruido combinado de muchas fuentes astrofísicas débiles, independientes y no resueltas. ^{[ 2 ]} Por ejemplo, se espera que el fondo astrofísico de fusiones de agujeros negros binarios de masa estelar sea una fuente clave del fondo estocástico para la generación actual de detectores de ondas gravitacionales terrestres. Los detectores LIGO y Virgo ya han detectado eventos individuales de ondas gravitacionales de tales fusiones de agujeros negros. Sin embargo, habría una gran población de tales fusiones que no serían resolubles individualmente, lo que produciría un zumbido de ruido de apariencia aleatoria en los detectores. Otras fuentes astrofísicas que no son resolubles individualmente también pueden formar un fondo. Por ejemplo, una estrella suficientemente masiva en la etapa final de su evolución colapsará para formar un agujero negro o una estrella de neutrones ; en el colapso rápido durante los momentos finales de un evento de supernova explosiva , que puede conducir a tales formaciones, teóricamente se pueden liberar ondas gravitacionales. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Además, en las estrellas de neutrones de rotación rápida hay toda una clase de inestabilidades impulsadas por la emisión de ondas gravitacionales.

La naturaleza de la fuente también depende de la banda de frecuencia sensible de la señal. La generación actual de experimentos terrestres como LIGO y Virgo son sensibles a las ondas gravitacionales en la banda de audiofrecuencia entre aproximadamente 10  Hz y 1000  Hz. En esta banda, la fuente más probable del fondo estocástico será un fondo astrofísico proveniente de fusiones de estrellas de neutrones binarias y agujeros negros binarios de masa estelar. ^{[ 8 ]}

Un método alternativo de observación es el uso de redes de cronometraje de púlsares (PTA). Tres consorcios —la Red Europea de Cronometraje de Púlsares (EPTA), el Observatorio Norteamericano de Nanohertz para Ondas Gravitacionales (NANOGrav) y la Red de Cronometraje de Púlsares de Parkes (PPTA)— se coordinan como la Red Internacional de Cronometraje de Púlsares . Utilizan radiotelescopios para monitorear la red galáctica de púlsares de milisegundos, que forman un detector a escala galáctica sensible a ondas gravitacionales con bajas frecuencias en el rango de nanohertz a 100 nanohertz. Con los telescopios existentes, se necesitan muchos años de observación para detectar una señal, y la sensibilidad del detector mejora gradualmente. Los límites de sensibilidad se están acercando a los esperados para fuentes astrofísicas. ^{[ 9 ]}

Los agujeros negros supermasivos con masas de 10⁵ ^a 10⁹ ^masas solares se encuentran en los centros de las galaxias. Se desconoce qué surgió primero, si los agujeros negros supermasivos o las galaxias, o cómo evolucionaron. Cuando las galaxias se fusionan, se espera que sus agujeros negros supermasivos centrales también se fusionen. ^{[ 10 ]} Estos sistemas binarios supermasivos producen potencialmente las señales de ondas gravitacionales de baja frecuencia más intensas; los más masivos son fuentes potenciales de un fondo de ondas gravitacionales de nanohertz, que en principio es detectable por los PTA . ^{[ 11 ]}