Ondas gravitacionales: murmullos desde los confines del espacio-tiempo

Ondas gravitacionales: murmullos que llegan a la Tierra desde los confines del espacio-tiempo

ondas gravitacionalesA pesar de su vasto vacío, el universo vibra con actividad en forma de ondas gravitacionales. Producidas por fenómenos astrofísicos extremos, estas reverberaciones ondulan y sacuden el tejido del espacio-tiempo, como el sonido de una campana cósmica.

Ahora, los investigadores han detectado una señal de lo que puede ser la fusión de agujeros negros más masiva observada hasta ahora en ondas gravitacionales. El producto de la fusión es la primera detección clara de un agujero negro de «masa intermedia», con una masa entre 100 y 1.000 veces la del Sol.

La señal, que se asemeja a unos cuatro movimientos cortos, es de duración extremadamente breve, menos de una décima de segundo pero ha permitido a los investigadores decir que GW190521 -así han llamado al hallazgo- fue generado por una fuente que se encuentra aproximadamente a 5 gigaparsecs de distancia. Por aquel entonces el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad, lo que lo convierte en una de las fuentes de ondas gravitacionales más distantes detectadas hasta ahora.

En cuanto a lo que produjo esta señal, los científicos creen que lo más probable es que GW190521 haya sido generado por una fusión binaria de agujeros negros con propiedades inusuales.

Casi todas las señales de ondas gravitacionales confirmadas hasta la fecha provienen de una fusión binaria, ya sea entre dos agujeros negros o dos estrellas de neutrones. Esta fusión más reciente parece ser la más masiva hasta el momento, involucrando dos agujeros negros con masas entre 85 y 66 veces la masa del sol.

La nueva señal probablemente representa el instante en que los dos agujeros negros se fusionaron. La fusión creó un agujero negro aún más masivo, de aproximadamente 142 masas solares, y liberó una enorme cantidad de energía, equivalente a alrededor de 8 masas solares, esparcida por todo el universo en forma de ondas gravitacionales.

descubrimiento sin precedentes

Que se haya batido el récord de masa es un descubrimiento sin precedentes. «Esta detección abre la puerta a descubrir muchos más posibles efectos astrofísicos nuevos«, adelanta Thomas Dent, coordinador del programa de ondas gravitacionales en el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) y miembro de la Colaboración Científica LIGO.

Un aspecto crucial es que el agujero negro remanente es de masa intermedia, y esto está relacionado con uno de los rompecabezas más fascinantes y complejos de la astrofísica y la cosmología: el origen de los agujeros negros supermasivos. Estos monstruos gigantes, de millones a miles de millones de veces más masivos que el Sol y a menudo en el centro de las galaxias, podrían surgir de la fusión de agujeros negros de masa intermedia más pequeños.

«Debe haber mecanismos que no entendemos y que permitan la generación de agujeros negros con masas solares superiores, como supernovas», explica a SINC la investigadora Alicia Sintes, de la Universitat de les Illes Balears (UIB) y miembro de LIGO.

ondas gravitacionales
Esta imagen es una imagen fija de un video de una simulación numérica de una fusión pesada de agujeros negros (GW190521). Los dos agujeros negros se fusionan, emitiendo ondas gravitacionales. Los agujeros negros tienen masas grandes y casi iguales, con uno solo un 3% más masivo que el otro. La señal de onda gravitacional simulada es consistente con la observación realizada por los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo el 21 de mayo de 2019 (GW190521). Crédito: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), Simulación de la colaboración eXtreme Spacetimes (SXS)

ondas gravitacionales en una cama elástica

Los físicos a veces llaman a estas ondas gravitacionales “murmullos en el espacio-tiempo”. El espacio-tiempo incluye el tiempo además de las tres dimensiones espaciales a las que estamos acostumbrados. La relatividad describe con mucha precisión la gravedad en este universo cuadridimensional. Dado que es muy difícil visualizar cuatro dimensiones, podemos imaginarnos una superficie flexible, tal como una cama elástica, como modelo simplificado del espacio-tiempo en tres dimensiones.

Einstein afirmó que la gravedad es el resultado de la curvatura del espacio-tiempo (la superficie elástica en nuestra imagen mental). Si no hay masa en esta superficie que pueda deformarla, entonces el espacio-tiempo es plano y una esfera que ruede por la superficie se moverá en línea recta. Pero si hay una gran masa que provoca un hundimiento en la cama elástica, la esfera rodante se desviará hacia la masa debido a la curvatura de la superficie, exactamente como si hubiera una atracción gravitatoria entre las dos masas. Cualquier cambio en la posición de las masas provocará ondas en la superficie que representan el campo gravitatorio variante – esto es, las ondas gravitacionales.

Vista aérea del detector LIGO en Hanford, Washington

Las ondas gravitacionales son producidas por masas en movimiento, de igual modo que las ondas electromagnéticas se crean por cargas en movimiento. Pero debido a que la gravedad es la más débil de las cuatro interacciones fundamentales (las otras son la electromagnética y las fuerzas débil y fuerte), las ondas gravitacionales son sumamente pequeñas. Expresado en términos físicos, una onda gravitacional intensa produciría desplazamientos del orden de 10-18 metros – una cantidad 1000 veces más pequeña que el diámetro del protón.

Ondas de tal intensidad se producen como resultado de sistemas muy masivos que experimentan grandes aceleraciones, como por ejemplo dos agujeros negros en órbita pocos instantes antes de fusionarse en uno solo. Como esta clase de sistemas son poco frecuentes, este tipo de fuentes se encuentran a distancias de años luz. Por tanto, la búsqueda de ondas gravitacionales implica intentar hallar los minúsculos efectos de algunos de los sistemas astrofísicos más energéticos en las profundidades del universo.

patrones de interferencia

Las ondas gravitacionales interaccionan con la materia comprimiendo los objetos en una dirección y estirándolos en la dirección perpendicular.  Por tanto, los más modernos detectores de ondas gravitacionales tienen forma de L y miden las longitudes relativas de sus brazos por medio de la interferometría, que observa los patrones de interferencia producidos al combinar dos fuentes de luz.

Dos de estos interferómetros están en los Estados Unidos – uno en Hanford, Washington, y otro en Livingston, Louisiana – y se llaman LIGO (siglas en inglés de Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser).  LIGO es el mayor de los detectores de ondas gravitacionales, con sus brazos de 4 km de longitud (un poco menos de 2.5 millas). Otros detectores son VIRGO en Italia, GEO en Alemania y TAMA en Japón.

Imagen de una simulación de relatividad numérica para GW190521 que muestra las ondas gravitacionales justo después de la fusión, con las trayectorias de los agujeros negros iniciales y el horizonte del agujero negro final apenas visibles en el centro.

LIGO es una gran infraestructura formada por dos interferómetros láser, separados por una distancia de 3.000 kilómetros. Uno de ellos está en Louisiana y el otro en el estado de Washington. Sus brazos son tubos de vacío de varios kilómetros de longitud. Para medir la longitud relativa de los brazos, un haz de luz láser es separado en dos en la intersección de los dos brazos.  La mitad de la luz del láser se transmite a un brazo mientras que la segunda mitad se desvía al segundo brazo.  Cerca del divisor de rayos y al final de cada brazo se encuentran los espejos suspendidos como péndulos.

La luz láser dentro de cada brazo rebota una y otra vez en los espejos y, finalmente, regresa a la intersección, donde interfiere con la luz del otro brazo.  Si las longitudes de los brazos no han cambiado, entonces las ondas de luz, al combinarse, deberían restarse completamente (interferencia destructiva) y no se observará nada de luz en la salida del detector.

Por el contrario, si una onda gravitacional estirara un brazo y comprimiera el otro ligeramente (más o menos 1/1000 del diámetro de un protón), los dos haces de luz no se restarían completamente el uno del otro, produciendo patrones de luz en la salida del detector.  Codificada en estos patrones de luz se encuentra la información del cambio relativo de longitud entre los dos brazos, que a su vez nos informa sobre lo que produjo las ondas gravitacionales.

einstein, una vez más, tenía razón

En 2015, los científicos observaron por primera vez ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo, las llamadas ondas gravitacionales, llegando a la Tierra procedentes de un evento catastrófico en el distante universo. Esto confirmó una importante predicción de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein de 1915 y abrió una nueva ventana sin precedentes en el cosmos.

Las ondas gravitacionales llevan consigo información acerca de sus dramáticos orígenes y sobre la naturaleza de la gravedad que no puede obtenerse de otra manera. Los físicos han llegado a la conclusión de que las ondas gravitacionales detectadas fueron producidas durante la última fracción de segundo de la fusión de dos agujeros negros para producir un solo agujero negro más masivo en rotación. Esta colisión de dos agujeros negros había sido predicha pero nunca antes había sido observada.

Tal como nos explica Borja Sorazu, uno de los científicos implicados en la detección de ondas gravitacionales, «el espacio-tiempo es tan rígido que incluso los detectores más sensibles jamás construidos solo son capaces de percibir las ondas gravitacionales generadas por objetos astronómicos muy masivos y altamente acelerados. En la primera detección del 14 de septiembre del 2015, la señal de las ondas gravitacionales observadas solo duró una fracción de segundo y fueron generadas hace más de mil millones de años durante el abrazo final de dos agujeros negros, cada uno de una masa 30 veces la de nuestro sol.

Justo antes de fundirse en un solo agujero negro masivo, viajaban a la mitad de la velocidad de la luz. Einstein creía que las ondas gravitacionales eran demasiado débiles para poder ser detectadas, y nunca creyó en la existencia de agujeros negros».

Las ondas gravitacionales confirman una importante predicción de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein de 1915, aunque él no creyó en la existencia de agujeros negros.

un universo transparente

Estos «murmullos» del espacio-tiempo marcarán el inicio de una nueva era en astronomía.  La mayor parte de la astronomía en el pasado se ha basado en distintas formas de radiación electromagnética (luz visible, ondas de radio, rayos X, etc.), pero las ondas electromagnéticas se reflejan y son absorbidas muy fácilmente por la materia existente entre la fuente y nosotros.  Incluso la luz que se observa proveniente del firmamento normalmente ha sido transformada en su viaje hasta nosotros.

Por ejemplo, cuando la luz atraviesa nubes de gas o la atmósfera de la Tierra, algunos de sus componentes son absorbidos y no pueden ser observados.

Las ondas gravitacionales transformarán la astronomía porque el universo es casi transparente a ellas: la materia y los campos gravitacionales ni absorben ni reflejan las ondas gravitacionales de forma significativa.  Los humanos seremos capaces de observar objetos astrofísicos que de otro modo habrían permanecido ocultos, así como los mecanismos internos de fenómenos que no producen luz.   Por ejemplo, si las ondas gravitacionales estocásticas realmente provienen de los primeros instantes después del Big Bang, entonces no solamente observaremos el universo hasta instantes mucho más remotos que los conocidos hasta ahora, sino que estaremos viendo esas señales exactamente como eran en el momento en el que fueron originalmente producidas.

La astronomía de ondas gravitacionales ayudará a explorar algunas de las grandes cuestiones de la física: ¿Cómo se forman los agujeros negros?  ¿Es la relatividad general la descripción correcta de la gravedad?  ¿Cómo se comporta la materia bajo las condiciones extremas de temperatura y presión de las estrellas de neutrones y las supernovas?

Más información en: LIGO.

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