un detector de ondas gravitacionales tan grande como la galaxia.

Los púlsares, estrellas de neutrones en rápida rotación que envían un pulso electromagnético hacia la Tierra con cada revolución, están íntimamente ligados a la investigación gravitatoria y a la prueba de la teoría general de la relatividad de Einstein. Además el hecho de que las estrellas de neutrones tienen campos gravitatorios muy fuertes - lo cual es interesante desde el punto de vista de la relatividad general, su uso como relojes de precisión permite una amplia gama de nuevos experimentos gravitacionales. Especialmente los púlsares de milisegundos, pulsares reciclados que se han transformado-por una estrella compañera (ver vídeo nº 1 de John Rowe Fondo Animación / Australia Telescope National, el CSIRO, Australia), son rotadores muy estables debido a su alta frecuencia de rotación, un campo magnético relativamente bajo , y alta masa. Esto hace a los púlsares de milisegundo más adecuados como relojes de Einstein casi perfectos.


Podemos rastrear con precisión la trayectoria de un púlsar con respecto a la Tierra mediante el control de los tiempos de llegada de sus pulsos, dado que para la mayoría de los púlsares milisegundos, podemos determinar el momento de la llegada de un solo pulso promedio de hasta 50 nanosegundos, somos efectivamente sensible a las variaciones en la distancia Tierra-púlsar hasta sólo varias decenas de metros. Esto es porque la luz sólo puede viajar alrededor de un pie en un nanosegundo. Debido a que algunos púlsares están en sistemas binarios muy ajustados, entonces, una medición precisa de la órbita de un pulsar en torno a una compañera puede ser utilizada para verificar / falsificar las predicciones de la relatividad general. Esto se hizo por primera vez con el pulsar binario, PSR J1915 1606, también llamado el binario Hulse-Taylor, que fue descubierto en 1974 [ver aquí]. Este sistema es un sistema doble de estrellas de neutrones en el cual uno de los dos cuerpos es un púlsar. Las dos estrellas están muy juntas: un periodo orbital completo sólo tarda 7,75 horas. Para dos de tales cuerpos masivos en una órbita muy cerrada la relatividad general predice que la emisión de ondas gravitacionales es significativa, lo que causaría una disminución en el período orbital debido a la pérdida de energía del sistema (ver el video nº 2 de John Rowe Animación / Australia Telescopio Nacional de Fondo, CSIRO, Australia). Tras seguir de cerca la dinámica de la binaria Hulse-Taylor, esta disminución en el período orbital se confirmó exactamente (ver figura 1), confirmando la existencia de las ondas gravitatorias. Esto resultó en que Hulse y Taylor fueran galardonados con el premio Nobel de Física en 1993 [ver aquí].

figura nº 1 ,decrecimiento del período de rotación del pulsar binario PSR J1915+1606.Crédito.2physics.

La confirmación de la existencia de las ondas gravitatorias con el binario Hulse-Taylor se considera una detección indirecta de ondas gravitatorias, porque se ha demostrado que la pérdida de energía del sistema es consistente con la emisión de ondas gravitacionales. Una detección directa tendría que consistir de evidencia de que las ondas gravitacionales están presentes en otro lugar distinto del punto de emisión: mediante el uso de un detector de ondas gravitacionales.

En términos generales, existen dos métodos para detectar directamente las ondas gravitacionales:
1) Un cuerpo de gran masa se utiliza como un resonador, donde las ondas gravitacionales se espera que exciten las frecuencias resonantes de estos llamados detectores de masa resonante.
2) Una señal es enviada de un lugar a otro, donde las ondas gravitacionales se espera que perturben la propagación de la señal de modo que su tiempo de llegada cambia ligeramente. En los detectores de interferometría láser (por ejemplo LIGO) esto da como resultado un cambio en el patrón de interferencia en el punto de recombinación de dos haces de láser.


Como resultado, los púlsares de milisegundos se pueden utilizar para "construir" un detector de ondas gravitacionales de la segunda clase, donde la propagación del pulso desde el púlsar a la Tierra es perturbado por ondas gravitacionales astrofísicas [ver aquí]. Los tiempos de llegada muy regulares de un pulsar milisegundo llegarán un poco tarde o temprano, debido a las ondas gravitacionales que pasan a través del sistema Tierra-púlsar, que en principio hace que las ondas gravitacionales sean detectables. Debido a que los normalmente observados púlsares milisegundos para estos fines están a varios kpc de distancia, una matriz de sincronización de púlsares es básicamente un detector de ondas gravitatorias de escala galáctica (ver figura nº 2, y el vídeo nº 3 de John Rowe Animación / Australia Telescope Facility Nacional, CSIRO, Australia)) .

figura nº 2,concepto de una matriz de sincronización de pulsar.Crédito.David J. Champion.

Una matriz de sincronización de pulsar es sensible a las ondas gravitatorias con frecuencias de unas pocas docenas a varios cientos nHz [ver aquí], que es el rango de frecuencia donde compactos agujeros negros supermasivos binarios (SMBHB) se espera que sean las principales fuentes de continuas ondas gravitacionales . Un canónico sistema SMBHB que contribuya a la señal de ondas gravitacionales se compondría de dos agujeros negros supermasivos con masas cerca de mil millones de masas solares a una distancia de un GPC, con un período orbital de varios meses a años. Muchos de estos sistemas se espera que existan en el universo, lo que daría lugar a una superposición isotrópica llamada fondo estocástico de ondas gravitacionales [ver aquí]. Las grandes simulaciones por ordenador de la evolución del universo sugieren que algunas de las fuentes individuales podrían ser detectables únicamente con el tiempo, pero la mayor parte de la señal consistiría de este telón del fondo estocástico isotrópico de las ondas gravitacionales [ver aquí]. Debido a que la evolución del universo está íntimamente ligada a la señal de ondas gravitacionales SMBHB , se cree que la medición del fondo de ondas gravitacionales estocástico y posiblemente de las fuentes sinples de SMBHB contribuiría enormemente a nuestra comprensión de la cosmología. Esta es una banda de frecuencia que es inalcanzable para cualquier otro tipo de detector de ondas gravitacionales, lo que hace que las matrices de sincronización de pulsar sean una herramienta única y complementaria junto a los otros programas de detección de ondas gravitacionales, como los observatorios gravitacionales con base en tierra.

La ciencia de la matriz de sincronización de pulsar es todavía relativamente nueva, y una nueva matriz de sincronización de una colaboración internacional (IPTA, [ver aquí]) sólo recientemente se ha formado como una alianza entre los tres propulsores principales: la European Pulsar Timing Array (PAAT, [ver aquí]), la North American Nanohertz Observatory for Gravitational waves (NANOGrav, [ver aquí]), y la Australian Parkes Pulsar Timing Array (PPTA, [ver aquí]). La PPTA utiliza un simple radiotelescopio, basado en Parkes, Australia, con un plato de 64m. NANOGrav utiliza los dos más grandes platos de radio telescopio del mundo, el telescopio de Green Bank de 100m, y el Observatorio de Arecibo de 305m . La EPTA utiliza cinco radiotelescopios repartidos por toda Europa: el Westerbork Synthesis Radio Telescope en los Países Bajos, el telescopio Lovell en el Reino Unido, el telescopio Effelsberg en Alemania, el radiotelescopio Nancay en Francia, y el telescopio de Cerdeña, en Italia. Estos cinco radio telescopios europeos se están actualmente uniéndo entre sí para combinar coherentemente sus señales, formando efectivamente una matriz grande por etapas llama la gran variedad europea de púlsares (LEAP, [ver aquí]). Esta mejora debería aumentar la sensibilidad para los propósitos de la matriz de sincronización de púlsar.


Entre los detectores terrestres de ondas gravitacionales y las matrices de sincronización de púlsares, esta básicamente una carrera científica centrada en quien hará la primera detección, con los dos proyectos teniendo buenas posibilidades de ser el primero. La matriz de sincronización de Pulsar tiene la ventaja de que el valor eficaz de la señal se espera que aumente considerablemente con el tiempo. Incluso si la matriz no se puede reducir el ruido con sus esfuerzos siempre en curso, la sensibilidad todavía aumentará gradualmente con el tiempo, por lo que una detección es posible. Sin embargo, las predicciones teóricas sobre la amplitud del fondo estocástico y las tasas de eventos de fuentes concretas son menos seguras que para los detectores terrestres. Los grandes detectores terrestres están actualizando sus instrumentos, que se espera que entre en funcionamiento en algún punto del 2015.

Incluso sin necesidad de actualizar los instrumentos, la sensibilidad de ambos tipos de detectores de ondas gravitacionales se puede aumentar con mejores métodos de análisis de datos que permitan obtener más información de los datos. Con el fin de hacer eso, un método de análisis de datos bayesiano para la matriz de sincronización de pulsar se ha desarrollado que, en teoría puede extraer toda la información de la señal que está presente en los datos. La relatividad general describe la señal de ondas gravitacionales del fondo estocástico como una señal correlacionada espacialmente y en tiempo entre todos los púlsares, lo que significa que los datos de los diferentes púlsares no pueden ser tratados individualmente. La extracción de tal señal de los datos no es trivial, especialmente para la no-uniformemente muestreada data con mal comprendido ruido proveniente de los púlsares milisegundos. El análisis bayesiano es adecuado para este tipo de análisis, y se ha demostrado que funciona bien tanto para las señales del fondo estocástico [ver aquí], y las fuentes individuales, como el efecto memoria de ondas gravitacionales [ver aquí]. El análisis Bayesiano ha dado lugar al más estricto límite superior en el fondo estocástico de ondas gravitacionales hasta la fecha [ver aquí].


En los próximos años, el telescopio esférico chino de quinientos metros de apertura(FAST, [ver aquí]), y el planeado Square Kilometre Array (SKA, [ver aquí]) darán un salto importante en la sensibilidad. Especialmente el SKA, construido por una colaboración de 20 países, cambiará drásticamente la ciencia de la matriz de sincronización de pulsar. Será una serie gradual de muchos platos ubicados en el sur de África, Australia y Nueva Zelanda [ver aquí]. Con su vasta área de recolección de un millón de metros cuadrados que se espera encuentre casi todos los pulsares en la Galaxia. Con todos esos púlsares un muy sensible detector de ondas gravitacionales con, posiblemente, hasta cien brazos se puede construir. Esto debería abrir una nueva ventana para observar el universo y proporcionar una visión única en la cosmología.

VIDEO Nº 1




VIDEO Nº 2





VIDEO Nº 3






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¿está la materia oscura formada por agujeros negros?.

La masa faltante del universo puede ser explicada por una legión de pequeños agujeros negros, dice una polémica nueva teoría
La mayoría de la materia en el universo no emite luz, o por lo menos es tan poca que es actualmente indetectable. Sin embargo, sabemos que está ahí porque su gravedad mantiene a las estrellas y galaxias en sus órbitas. Casi todo el mundo piensa que esta llamada materia oscura está hecha de partículas subatómicas hasta ahora desconocidas. Los físicos tienen la esperanza de que van a encontrar a una candidata en las colisiones del Gran Colisionador de Hadrones del CERN, cerca de Ginebra, Suiza.¿Pero podríamos haber concebido a la materia oscura de forma errada? Mike Hawkins cree que sí. Él cree que en lugar de partículas, lo que llamamos materia oscura es en realidad legiones de agujeros negros creados poco después del Big Bang.
Es una afirmación muy controvertida. Sin embargo, Hawkins, que es un astrónomo del Observatorio Real de Edimburgo, en el Reino Unido, cree que tiene evidencia convincente reunida a través de años de observaciones. Si tiene la razón, cambiaría radicalmente nuestra visión del cosmos. "Vivimos en un universo dominado por agujeros negros", dice.
La historia se remonta a 1975, cuando Hawkins empezó a monitoriar una parte del cielo del sur, noche tras noche, utilizando el telescopio Schmidt del Reino Unido en Siding Springs en Australia. Después de cinco años, además de las estrellas que estaba buscando, se encontró con algo inesperado: miles de objetos que brillaban y oscurecían muy lentamente.Resultaron ser los cuásares, los núcleos súper brillante de las galaxias recién nacidas en el borde del universo.
Sin embargo, Hawkins estaba perplejo. Los quásares están alimentados por la materia que brilla ferozmente cuando se arremolina en un agujero negro supermasivo típicamente miles de millones de veces la masa del sol. Su luz varía, por ejemplo, cuando las estrellas son destrozadas por la enorme gravedad del agujero negro. Estos brotes hacen que los cuásares brillen y se oscurezcan en pocos días, no en años y décadas, como Hawkins encontró.
Se preguntó si la variabilidad se debía a un fenómeno llamado microlente. Si sucede que un cuerpo masivo pasa entre nosotros y el quasar, su gravedad curvea la luz del quasar y la magnifica. Tal vez esa fué la causa de la variación de la luz, en lugar de ser algo intrínseco del propio cuásar. ¿Fue suficiente para explicar la variación de una década que Hawkins estaba viendo?.


la luz desde un distante cuasar es curvada por la gravedad de una galaxia masiva para producir 2 brillantes imágenes , la apariencia de estas imágenes depende de otros objetos que esten presentes en las cercanías como por ejemplo los agujeros negros los cuales tambien curvean la luz y hacen de que siga un camino en particular originándo diferencias en el aspecto de las imágenes lenteadas.

Sus cálculos demostraron que ello podría indicar que los cuerpos que pasan por delante del cuásar tenían una masa más o menos la del sol. Entonces, ¿qué podrían ser estos masivos cuerpos, microlentes?
La respuesta obvia es estrellas. Sin embargo, se descartaron por una razón de peso que se remonta a los primeros minutos después del Big Bang. El universo es como es ahora, porque desde entonces ha consistido en una cierta proporción de fotones a protones y neutrones, que se conocen colectivamente como bariones.
Podemos decir que esta proporción viene del fondo cósmico de microondas – la radiación remanente del Big Bang. Resulta que de alli se desprende que puede haber a lo sumo el doble de bariones en el universo de lo que vemos formándo estrellas y galaxias. Ese es un problema para las micro-lentes de la luz de los quásares, porque para ver el efecto en cada quasar, significa que los cuerpos que doblan la luz a su alrededor deberían sumar más del doble el número de bariones de lo que vemos en el universo. "Simplemente no hay suficiente materia bariónica de las lentes para ser estrellas ordinarias", dice Hawkins. "Ellos deben ser la materia oscura."
El argumento bariónico excluye a muchos otros candidatos posibles que pertenecen a la familia de los llamados MACHO`s, o grandes objetos astrofísicos compactos del halo. El nombre MACHO's se utiliza para cualquier cuerpo oscuro que podría explicar la materia oscura, e incluye a estrellas de neutrones, agujeros negros y estrellas tan pequeñas que dan poca o ninguna luz.
Pero si todo lo que está hecho de materia ordinaria se descarta, eso deja a Hawkins con un solo candidato: pequeños agujeros negros que pesan alrededor de la masa del sol y no mucho más grande que una aldea. Stephen Hawking de la Universidad de Cambridge y otros han dicho que estos podrían haberse formado de manera espontánea cuando el universo tenía aproximadamente 1 / 100000 segundos de edad.

En aquel momento, los componentes básicos de la materia conocidos como quarks pasaron de ser libre a condensarse, como gotas que se forman en el vapor. Las "gotas" eran protones, neutrones y una gran cantidad de otras partículas subatómicas que sólo se pueden crear en las colisiones entre partículas de alta energía en la actualidad.
Este proceso habría originado aisladas regiones súper-densa de partículas que podrían haberse contraído en virtud de su gravedad para formar agujeros negros primordiales. "La masa característica de estos agujeros es de aproximadamente la masa de una estrella", dice Hawkins. "Exactamente lo que se requiere para ser candidatos a microlentes de los quasars ".
Hawkins ha tenido momentos difíciles convenciéndo a otros astrónomos. Aunque nadie sabe de qué? la materia oscura está hecha la mayoría de los investigadores ahora favorecen a las partículas llamadas neutralinos, que son bastante diferentes de la materia bariónica común. Una razón es que nuestras teorías más prometedoras de la física de partículas señalan a los neutralinos como la materia oscura. Otra es que una búsqueda de gran alcance para los MACHO's finalizó sin resultados.

Durante un período de siete años, un equipo internacional llamado la Colaboración MACHO's monitorió 3 millones de estrellas en las galaxias satélites de la Vía Láctea, las Grande y Pequeña Nubes de Magallanes, para ver si habían señales de los MACHO's. La lógica era simple. La materia oscura en nuestra galaxia, se cree que tiene la forma de un gran halo esférico. Si el halo está compuesto de MACHO's, entonces de vez en cuando uno va a pasar por delante de una estrella en una de las galaxias satélite y actuará como microlentes de su luz.
Los resultados no fueron prometedores para los agujeros negros. El equipo vio sólo 17 eventos de microlentes(ver aquí) -y concluyó que los MACHO's – cualquier cosa que ellos sean - son menos del 20 por ciento de la masa del halo. Posteriores, sondeos han reportado un porcentaje aún menor (ver aquí). Hawkins, sin embargo, cree que los resultados fueron interpretados erróneamente y que los eventos de microlente son consistentes con un halo compuesto completamente de MACHO's."Hay muchas incertidumbres con estos proyectos, incluyendo la estructura del halo y la eficiencia de detección", dice.
Él señala a varias líneas de evidencia a favor de los agujeros negros primordiales. Para empezar, todos coinciden sin duda en que la luz de los quásares varía en períodos de varios años. A veces, la luz de un quásar es lenteada por una galaxia intermedia masiva, y esta puede curvar la luz a lo largo de varios caminos para formar varias imágenes del cuásar. Si la variación de la luz es intrínseca al quasar, cualquier cambio en una sola imagen debe ir acompañada de un cambio idéntico en las demás.
Aunque esto se ve ocasionalmente, las imágenes con más frecuencia varían de forma independiente. "Esto sólo puede explicarse por micro-lente", dice Hawkins, quién describe cómo un agujero negro primordial puede inclinar el camino de la luz que pasa a formar una imagen, pero no las otras (ver diagrama).
Una segunda línea de evidencia proviene de la escala de tiempo con el que la luz brilla y se oscurece. Si esto es una característica del propio quasar, entonces los quásares más lejanos deberían variar sobre un más largo período que los más cercanos. Esto se debe a que las cosas suceden más lentamente para objetos distantes, un efecto llamado dilatación del tiempo.
Pero de acuerdo con el análisis de Hawkins, no hay diferencia en la variabilidad entre los cuásares distantes y más cercanos."Esto es compatible con la variación que es causada por micro-lentes", dice, "y no es compatible con cualquier tipo de variación intrínseca".
Bernard Carr de la Universidad Queen Mary de Londres comparte el entusiasmo de Hawkins para agujeros negros primordiales. "Creo que sus resultados merecen una consideración seria", dice.
Sin embargo, no importa cuánta evidencia Hawkins presente, se enfrenta a un problema. Los cuásares son bestias complejas, y nuestra falta de comprensión de ellos deja una amplia puerta abierta a otras teorías alternativas. Por ejemplo, algunas han sugerido que la variabilidad podría deberse a los cambios en la velocidad con la cual la materia fluye hacia el agujero negro. "Es difícil saber cómo contrarrestar ese argumento infalsificable", dice Hawkins.
La Hipótesis de Hawkins, por otro lado, es falsable. Si uno de los muchos experimentos en busca de partículas de materia oscura cósmica encuentra alguna, entonces será el final para los agujeros negros primordiales. Hasta el momento hay algunas afirmaciones interesantes. La más antigua proviene de investigadores que trabajan en el experimento DAMA, en el laboratorio Gran Sasso subterráneo en Italia. Afirmaron en el año 2000 que habían encontrado evidencia de partículas de materia oscura lloviéndo sobre la Tierra. Una versión mejorada de su experimento continúa mostrando tal evidencia. Un segundo experimento llamado COGENT, en el fondo de la mina Soudan, en Minnesota, también afirma haber visto el efecto (ver aquí).
Ambas afirmaciones son controvertidas, sin embargo, varios otros experimentos no han podido ver nada. "Si esto se mantiene, entonces la materia oscura está hecha de partículas y de hecho yo estaría equivocado", reconoce Hawkins.
Lo que realmente se necesita es una observación aguda, pero que no será fácil. Si el halo está compuesto de agujeros negros primordiales, habrá miles de millones de ellos, en gran medida superando a las estrellas de la galaxia. Pero estarán separados al menos a 40 años luz de distancia - diez veces la distancia entre el Sol y su vecino más cercano, Alpha Centauri y a esto se añadiría su pequeño tamaño - menos de 3 kilómetros de diámetro – por lo tanto la búsqueda de un halo de agujeros negros es peor que buscar una aguja en un pajar.
La mejor manera de encontrar los agujeros negros, en forma indirecta, es en otro sondeo de micro-lentes. "La tragedia del experimento de la Colaboración MACHO's es que se detuvo demasiado pronto", dice Hawkins. "Realmente necesitamos iniciar la búsqueda de nuevo."
Si tiene razón, y la masa estelar de los agujeros negros da cuenta de la materia oscura del universo, ellos no necesariamente habrían sido creados en el universo primitivo. Carr y su colega Alan Coley de la Universidad Dalhousie en Halifax, Nueva Escocia, Canadá, han estado examinando modelos que tienen al universo pasándo por una serie de big bangs y big Crunchs . En estos, los agujeros negros creados en un momento anterior podrían sobrevivir a estos rebotes repetidos y aún estar con nosotros en la actualidad (ver aquí). "Macroscópicos agujeros negros que sobrevivieron al último ciclo del universo serían observacionalmente indistinguibles de los que se formen en este ciclo", dice Carr."Así que de hecho podrían inducir lentes en los quasares".
Durante mucho tiempo hemos sospechado que la materia oscura es muy diferente a todo lo que nos encontramos aquí en la Tierra. Tal vez mucha de ella no se formó, incluso en nuestro universo.




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http://www.newscientist.com/article/mg21128262.200-really-dark-matter-is-the-universe-made-of-holes.html