Un nuevo análisis teórico convierte la ausencia de un tipo específico de ruido en el campo de densidad cósmica en las restricciones más estrictas hasta la fecha sobre las ondas gravitacionales producidas en el universo temprano. El artículo, publicado en arXiv el 29 de julio por Gabriela Barenboim, del Instituto de Física Corpuscular de la Universidad de Valencia, y Albert Stebbins, del Fermilab, sostiene que un fondo de ondas gravitacionales dejaría inevitablemente una firma denominada ruido blanco a gran escala, y que el hecho de que las observaciones no hayan encontrado esa firma descarta muchas fuentes de ondas gravitacionales del universo temprano.
El argumento se apoya en un marco que los mismos autores desarrollaron con un colega en dos artículos anteriores. Los acoplamientos no lineales entre las fluctuaciones de densidad a pequeñas escalas generan ruido blanco en las escalas observables más grandes del campo de densidad cósmica. Las ondas gravitacionales siempre producen un cizallamiento en el fluido cósmico, y ese cizallamiento, mediante el mismo acoplamiento de modos no lineal, genera este ruido blanco a gran escala. Dado que el universo observado no muestra el efecto, los autores convierten el límite superior observacional del ruido blanco en un límite superior sobre la cantidad de energía de ondas gravitacionales que pudo haber existido en cualquier época.
El insumo observacional es un límite de confianza del 99 por ciento sobre la amplitud del ruido blanco derivado de los datos de Planck 2018: la cantidad denominada k_BH debe estar por debajo de 1,80 x 10^-13 por megaparsec. El resultado principal del nuevo artículo es una restricción simple que relaciona tres cantidades: el corrimiento al rojo en el que se produjeron las ondas gravitacionales, su densidad de energía actual y su frecuencia. Para las ondas generadas dentro del horizonte durante la era de radiación, la restricción adopta la forma z^2 Omega_GW0 < 5 x 10^7 (f/nHz)^(3/2), donde z es el corrimiento al rojo de producción, Omega_GW0 el parámetro de densidad actual de las ondas y f su frecuencia actual.
Los autores aplican esta restricción a un ejemplo concreto: el fondo de ondas gravitacionales detectado por las matrices de temporización de púlsares (pulsar timing arrays). Muestran que las ondas detectadas no pudieron estar presentes antes de un corrimiento al rojo de aproximadamente 10^8, mucho después de la transición de fase quark-hadrón, que terminó alrededor del corrimiento al rojo 10^12, cuando el universo tenía una temperatura de unos 100 MeV. La temperatura cósmica máxima permitida en el horizonte de corrimiento al rojo de las ondas detectadas es de unos 50 keV, muy posterior a la nucleosíntesis del big bang. Los autores concluyen que es más probable que la señal de las matrices de temporización de púlsares se haya generado a corrimientos al rojo bajos por fuentes astrofísicas, como la fusión de agujeros negros supermasivos, que por cualquier proceso del universo muy temprano.
Para la propia transición quark-hadrón, la restricción es drástica. Una transición fuertemente de primer orden, del tipo que produciría un fondo de ondas gravitacionales detectable con energía cinética macroscópica significativa, queda prácticamente descartada: el parámetro de densidad actual de esas ondas tendría que estar por debajo de 5 x 10^-16, y el parámetro de densidad en el momento de la producción por debajo de 8 x 10^-12. El artículo compara esta restricción con los límites existentes en una tabla: las restricciones integradas de la nucleosíntesis del big bang y del fondo cósmico de microondas permiten densidades de hasta aproximadamente 10^-5, las búsquedas directas de ondas gravitacionales alcanzan alrededor de 10^-8 y el nuevo límite de ruido blanco alcanza alrededor de 10^-15. La nueva restricción es siete órdenes de magnitud más estricta que las anteriores a una frecuencia de aproximadamente 1 nanohercio, la escala del horizonte de la QCD.
Los autores subrayan lo que su restricción no es. El límite de 5 x 10^-16 proviene de un modelo mínimo que supone que las ondas gravitacionales se produjeron con fases aleatorias gaussianas, a escala de horizonte, y que fueron la única fuente de ruido blanco. Una producción realista en el universo temprano, argumentan, endurecería la restricción en órdenes de magnitud, por dos razones. Las fuentes localizadas de ondas gravitacionales, como las colisiones de burbujas en una transición de fase, añaden granularidad que genera más ruido blanco. Y las ondas acústicas que acompañan a cualquier transición de fase, producidas por acoplamiento mecánico directo y no por la gravedad, generan ruido blanco con mucha más eficiencia que las propias ondas gravitacionales. Si las ondas acústicas dominan el ruido blanco, la fracción de la señal atribuible a las ondas gravitacionales podría ser muy pequeña, lo que haría aún más estricta la restricción sobre las ondas gravitacionales por sí solas.
El artículo también examina las perspectivas de los futuros telescopios de ondas gravitacionales. La restricción del ruido blanco no excluye por completo la posibilidad de detectar ondas gravitacionales del universo muy temprano con los instrumentos propuestos, incluso hasta temperaturas cósmicas superiores a 1 TeV en los diseños más sensibles. Pero los autores advierten de que los horizontes de corrimiento al rojo calculados a partir de la sensibilidad bruta de los instrumentos probablemente sean optimistas, porque tanto los primeros planos astrofísicos (foregrounds) como el ruido blanco producido junto a cualquier fuente de ondas gravitacionales del universo temprano reducirían lo que resulta detectable. Un modelo de producción de eventos discretos, en el que las ondas provienen de un número finito de fuentes localizadas, produce restricciones sobre el corrimiento al rojo de producción mucho más estrictas que el modelo mínimo, salvo que el número de eventos por volumen de horizonte fuera muy grande.
La imagen que emerge es la de un universo temprano que debió de ser comparativamente silencioso, sin transiciones de fase ni otros fenómenos que generaran flujos en bloque significativos antes de la era de la nucleosíntesis del big bang. El artículo señala que esta conclusión depende del modelo y que será necesario un modelado detallado de escenarios específicos del universo temprano para obtener límites más estrictos. La no observación del ruido blanco a gran escala también transmite un mensaje independiente: lo que produjo el fondo de ondas gravitacionales detectado a frecuencias de nanohercios ocurrió casi con seguridad mucho después de los primeros microsegundos de la historia cósmica.
Traducido por Alessandra
Sources
1. Barenboim, G. and Stebbins, A., “Gravitational Waves as a Source of Large-Scale White Noise: New Constraints,” arXiv:2607.27338: https://arxiv.org/abs/2607.27338
2. NANOGrav Collaboration, “The NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background”: https://arxiv.org/abs/2306.16213
3. Barenboim, G., Ireland, A., and Stebbins, A., “The Noisy Universe”: https://arxiv.org/abs/2511.15803