Observatorio Norteamericano de Nanohertz para Ondas Gravitacionales

El Centro de Fronteras Físicas del Observatorio Norteamericano de Nanohertz para Ondas Gravitacionales ( NANOGrav ) es un consorcio de astrónomos ^{[ 1 ]} que comparten el objetivo común de detectar ondas gravitacionales mediante observaciones regulares de un conjunto de púlsares de milisegundos para crear una red de cronometraje de púlsares . Utilizan datos del Telescopio Green Bank , el Observatorio de Arecibo , el Very Large Array y el Experimento Canadiense de Mapeo de Intensidad de Hidrógeno (CHIME) . Los planes de observación futuros incluyen hasta un 25 % del tiempo total del Deep Synoptic Array . ^{[ 2 ]} Este proyecto se está llevando a cabo en colaboración con socios internacionales en el Parkes Pulsar Timing Array en Australia, el European Pulsar Timing Array y el Indian Pulsar Timing Array como parte del International Pulsar Timing Array .

Las ondas gravitacionales son una predicción importante de la teoría general de la relatividad de Einstein y resultan del movimiento global de la materia, las fluctuaciones durante el universo primitivo y la dinámica del espacio-tiempo . Los púlsares son estrellas de neutrones altamente magnetizadas que giran rápidamente y se forman durante las explosiones de supernovas de estrellas masivas. Actúan como relojes de gran precisión con numerosas aplicaciones físicas, desde la mecánica celeste y la sismología de estrellas de neutrones hasta las pruebas de gravedad de campo intenso y la astronomía galáctica.

La idea de utilizar púlsares como detectores de ondas gravitacionales fue propuesta originalmente por Sazhin ^{[ 5 ]} y Detweiler ^{[ 6 ]} a finales de la década de 1970. Consiste en considerar el baricentro del Sistema Solar y un púlsar distante como los extremos opuestos de un brazo imaginario en el espacio. El púlsar actúa como reloj de referencia en un extremo del brazo, emitiendo señales regulares que son monitorizadas por un observador en la Tierra. El efecto de una onda gravitacional que pasa cerca sería perturbar la métrica espaciotemporal local y provocar un cambio en la frecuencia de rotación observada del púlsar.

Hellings y Downs ^{[ 7 ]} extendieron esta idea en 1983 a un conjunto de púlsares y descubrieron que un fondo estocástico de ondas gravitacionales produciría una señal correlacionada para diferentes separaciones angulares en el cielo, ahora conocida como la curva de Hellings-Downs . Este trabajo tuvo limitaciones en sensibilidad debido a la precisión y estabilidad de los relojes de los púlsares en el conjunto. Tras el descubrimiento del primer púlsar de milisegundos en 1982, Foster y Donald C. Backer ^{[ 8 ]} fueron de los primeros astrónomos en mejorar significativamente la sensibilidad a las ondas gravitacionales aplicando el análisis de Hellings-Downs a un conjunto de púlsares de milisegundos altamente estables.

La llegada de sistemas de adquisición de datos digitales de última generación, nuevos radiotelescopios y sistemas receptores, y el descubrimiento de muchos púlsares nuevos mejoraron la sensibilidad de la red de cronometraje de púlsares a las ondas gravitacionales. El artículo de 2010 de Hobbs et al. ^{[ 9 ]} resume el estado inicial del esfuerzo internacional. El artículo de 2013 de Demorest et al. ^{[ 10 ]} describe la publicación de datos de cinco años, el análisis y el primer límite de NANOGrav sobre el fondo estocástico de ondas gravitacionales. Le siguieron las publicaciones de datos de nueve y once años en 2015 y 2018, respectivamente. Cada una limitó aún más el fondo de ondas gravitacionales y, en el segundo caso, se perfeccionaron las técnicas para determinar con precisión el baricentro del sistema solar.

En 2020, la colaboración presentó la primera evidencia de fondo de ondas gravitacionales dentro de la publicación de datos de 12,5 años, tomando la forma de un ruido consistente con las expectativas; sin embargo, no se pudo atribuir definitivamente a ondas gravitacionales. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

En la Encuesta Decenal de Astronomía y Astrofísica de 2020 , las Academias Nacionales de Ciencias nombraron a NANOGrav como uno de los ocho proyectos de astrofísica de escala media recomendados como de alta prioridad para financiación en la próxima década. ^{[ 13 ]}

En junio de 2023, NANOGrav publicó evidencia adicional de un fondo estocástico de ondas gravitacionales utilizando la publicación de datos de 15 años. En particular, proporciona una medición de la curva de Hellings-Downs, ^{[ 14 ]} el signo único del origen de las ondas gravitacionales de las observaciones. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

La NSF financió inicialmente a investigadores de NANOGrav como parte del programa Partnerships for International Research and Education (PIRE) de 2010 a 2015; el programa Physics Frontiers Center (PFC) de 2015 a 2021; y una segunda subvención PFC a partir de 2021. NANOGrav, como parte del programa PFC de la NSF, ha recibido apoyo de las Divisiones de Física y Ciencias Astronómicas de la NSF y del programa Windows on the Universe. La NSF también ha contribuido al apoyo de International Pulsar Timing Array a través del programa AccelNet. Además, NANOGrav ha recibido apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore , el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá y el Instituto Canadiense de Investigación Avanzada .

Las actividades de investigación de NANOGrav también han recibido apoyo mediante subvenciones individuales otorgadas por el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería ( NSERC ) de Canadá, la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y la Corporación de Investigación para el Avance Científico de los Estados Unidos.

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