Guía para entender por fin las ondas gravitacionales

El Premio Nobel de Física 2017 fue para los científicos de LIGO/VIRGO, por su contribución a la detección de estos fenómenos

El Premio Nobel de Física 2017 ha sido concedido a Rainer Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne, de la colaboración LIGO/VIRGO, por su decisiva contribución a la detección de ondas gravitacionales, según la Academia Sueca. Este hallazgo científico, que contribuyó a confirmar definitivamente la teoría de la relatividad general de Einstein, fue considerado el Descubrimiento del Año en 2016 para la revista Science, por lo que sonaban como posibles ganadores del galardón sueco ya el año pasado, aunque ha tenido que esperar a esta edición.

¿Qué es exactamente lo que han descubierto?

De acuerdo con la teoría general de la relatividad, el efecto de la gravedad puede considerarse como el resultado de una cierta curvatura del espacio. Y, cuanto más masivo es el cuerpo, mayor es esta perturbación. Las ondas gravitacionales son un fenómeno físico que Albert Einsten predijo en 1916, en uno de los trabajos cumbres de su vida, la Teoría General de la Relatividad. Según el célebre austriaco, los cuerpos más violentos del universo, o las catástrofes en las que se pueden ver envueltos  (supernovas, parejas de estrellas de neutrones, la colisión de agujeros negros), liberan masa en forma de estas ondas a la velocidad de la luz. El entendimiento de las ondas gravitacionales es un paso esencial hacia la comprensión del universo, del que sabemos aún poco.

LIGO, el micrófono del Universo

Los descubrimientos se han hecho con un instrumento especialmente diseñado y construido para encontrar estas perturbaciones que pueden datar del Big Bang. LIGO, Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser, apareció hace una década y, este año, se lanzó una actualización llamada Advanced LIGO, mucho más sensible. Con este aparato se logró detectar por primera vez las referidas ondas. 

LIGO, que mide cuatro kilómetros, consiste en dos grandes interferómetros consistentes en dos brazos de igual tamaño igual situados perpendicularmente. El paso de una onda gravitatoria a través de un interferómetro es capaz de cambiar la longitud de un brazo en relación con el otro, lo que debería desplazar la fase de radiación en este brazo y afectar al patrón de interferencia. La señal recibida es entonces borrada del ruido, que se origina principalmente de vibraciones mecánicas (incluyendo sísmicas) y ruido cuántico de fotodetectores. Hasta la fecha, LIGO y su socio europeo Virgo han registrado un total de cuatro ondas gravitacionales. 

LIGO a vista de pájaro. /ligo.caltech.edu

La primera onda gravitacional y el triunfo de Einstein

En febrero de 2016 se confirmó la detección de la primera de estas señales manando desde un agujero negro binario y fue tomado por la comunidad científica como la confirmación de la teoría general de la relatividad de Einstein. Advanced LIGO y Virgo lograron fijar la señal de las ondas gravitatorias de la gama acústica. El artículo con los resultados del estudio fue publicado en la revista Physical Review Letters.

La fuente de las ondas que los científicos llamaron la fusión de dos agujeros negros con una masa de cerca de 29 y 36 masas solares. La señal (GW150914) se registró el 14 de septiembre. La energía liberada como resultado de la fusión es equivalente a tres masas solares (alrededor del 4,6% de la masa de cuerpos fusionados). Esta fusión, según los científicos, ocurrió hace 1.300 millones de años. Dado que la señal de las ondas gravitacionales, que es observada por LIGO, está en el rango acústico, los científicos fueron capaces de traducir directamente las oscilaciones en el sonido.

Segunda y tercera confirmación

En junio de 2016, físicos de LIGO y Virgo informaron que habían registrado ondas gravitacionales por segunda vez y la tercera vez se informó en la revista Physical Review Letters en junio de 2017. En los tres casos, ambos detectores gemelos LIGO detectaron las ondas desde las colosalmente energéticas fusiones de los pares de agujeros negros. Estas son colisiones que producen más energía de todo lo que es irradiado como luz por todas las estrellas y galaxias en el universo en cualquier era. La tercera detección, a su vez, sería la más lejana del momento, con agujeros ubicados a 3 mil millones de años luz de donde nos encontramos (las anteriores tenían 1.3 mil y 1.4 mil millones respectivamente).

El horizonte de sucesos casi le quita la razón al genio

A la emoción inicial por haber confirmado las predicciones del físico austriaco, siguió un descubrimiento en base a los registros del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) que, irónicamente, sugiería que los ecos de las ondas gravitacionales registrados por el LIGO indicaban la posibilidad que la relatividad fallara en el borde del agujero negro, lejos de su núcleo. Según la teoría de Einstein, todo lo que lo cruza el horizonte de sucesos de un agujero negro, es decir, un borde a partir del cual no puede existir nada, ni luz a su alrededor, será capturado por el cuerpo irremediablemente. Otras teorías planteadas por algunos científicos indican que la superficie de los agujeros negros es sólida y que la materia se destruiría por una colisión brutal, no al ser engullida por el agujero.

Tras detectarse las primeras ondas, se determinó que provenían de la fusión de dos agujeros negros. Poco después, un equipo de físicos del Instituto Técnico Superior de Lisboa propuso que si se cumpliera alguna de las teorías alternativas a la Teoría de la Relatividad, las ondas de estas fusiones de agujeros negros también liberarían una serie de ecos. Con la intención de comprobarlo, otro equipo de la Universidad de Waterloo (Canadá), construyó un modelo que fue aplicado a las tres fusiones de agujeros negros capturadas hasta ese momento por LIGO y reveló que los ecos encontrados en las ondas coincidían con los de teorías alternativas. Los ecos podían ser una casualidad estadística, pero el registro de los ecos era suficiente pista como para poner a prueba la teoría de la relatividad en estas condiciones extremas.

Sin embargo, y devolviéndole la razón a Einstein, un artículo publicado en mayo de 2017 en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society demostraba que el borde de los agujeros negros es real, es decir, que la materia se desvanece completamente cuando se acerca lo suficiente a uno de ellos.

La cuarta y más ratificada: detectada por dos laboratorios

Y astrónomos reportaron el septiembre pasado haber detectado una cuarta señal de ondas gravitacionales. Mientras que estas detecciones parecieran ser ya comunes, el último descubrimiento es único, al ser capturado también por un observatorio externo que no tiene relación con LIGO. Se trata de los observatorios en Washington y Louisiana de la Fundación Nacional de Ciencia (Estados Unidos), también dedicados a medir ondas gravitacionales. Fue la primera vez que una unión fue vista por tres observatorios al mismo tiempo.

LO QUE NOS HAN ENSEÑADO DEL COSMOS

Su fuente son agujeros negros que 'bailan' en parejas

En el centro de cada galaxia, aguarda un agujero negro masivo, devorando lo que encuentra a su paso. Pero también cabe la posibilidad de que ahí existan dos de ellos, o mejor dicho, un agujero negro binario, que consiste en dos de estos cuerpos orbitándose el uno al otro. Precisamente estas formaciones son las que revelaron a LIGO la existencia de ondas gravitacionales.

Hay dos modelos principales para explicar la formación de sistemas binarios de agujeros negros. El primero propone que los dos nacen a la vez. Se forman cuando cada una de las estrellas de un sistema binario explota. Debido a que los astros originarios rotaban alineados, los agujeros negros resultantes siguen alineados. En el segundo modelo, los dos agujeros negros se unen después de formados en cúmulos estelares. Las observaciones proveen pistas sobre la dirección del giro de estos agujeros negros. Un par de ellos giran alrededor de su contraparte mutuamente, pero también giran sobre sus ejes. Algunas veces pueden girar en la misma dirección orbital en la que se mueve el par, lo que los astrónomos refieren como “giros alineados” y otras lo hacen en la dirección opuesta. Incluso pueden salirse verticalmente del plano orbital. Es decir, pueden girar en cualquier dirección. El estudio de estas características  podría dar pie a una nueva rama de la astronomía e indicarnos cómo nacieron estos agujeros binarios.

Hay muchos más agujeros negros en nuestra galaxia de los que pensamos

El reciente descubrimiento de la existencia de ondas gravitacionales no fue solo un momento histórico que confirmaba que Einstein tenía razón desde el principio. Esa señal que abarcaba el cosmos se remonta a la antigua fusión de dos agujeros negros hace unos 1.300 millones de años, y el hallazgo hizo a los científicos preguntarse ¿cómo de comunes son los agujeros negros de este tamaño, y con qué frecuencia se fusionan?.

Pues bien, un estudio publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society por el Profesor James Bullock de la Universidad de California (EE.UU.), asegura haber descubierto la cantidad de agujeros negros que existen en la Vía Láctea. Según el investigador, este descubrimiento se ha realizado gracias a las observaciones de las ondas gravitatorias, detectadas por primera vez en el año 2015 por el observatorio LIGO. Durante 18 meses tras el descubrimiento histórico, el equipo de Bullock realizó cálculos teóricos sobre lo que sabemos acerca de las galaxias y las estrellas y los agujeros negros que se forman a su paso. Los cálculos dieron como resultado una especie de inventario cósmico, capaz de inferir un espectro de la población de agujeros negros en la Vía Láctea, incluyendo los de tipo binario que se fusionaron para darnos ondas gravitacionales: probablemente hay hasta 100 millones de agujeros negros solo en nuestra galaxia, y unos 10 millones de ellos tendrían 50 veces la masa del sol.

Que nuestro Big Bang quizá no es un evento cósmico excepcional

La Cosmología Cíclica Conforme (CCC) es un modelo cosmológico en el que el universo se repite a través de ciclos infinitos, es decir, consiste en una sucesión de eones  que se superponen en el tiempo: cada eón, según la teoría propuesta por los físicos teóricos Roger Penrose y Vahe Gurzadyan, está marcado por su propio Big Bang. Aunque hasta ahora la ciencia ha tomado esta teoría como una propuesta puramente teórica, el análisis de las señales obtenidas por el observatorio LIGO podría darle sustento.

El ruido que las acompañaba podría ser la evidencia de la CCC. Para Penrose, según cuenta un artículo de Physicsworld.com, lo que aparentemente no es más que un ruido de fondo, es en realidad una señal real de otras ondas gravitatorias generadas por la descomposición de una hipotética clase de partículas de materia oscura predichas por la CCC. En un artículo publicado en arXiv.org el físico británico sostiene que una cantidad significativa de este ruido podría ser, por sí misma, un signo de origen astrofísico o cosmológico, concretamente una señal CCC.

Que no todo es tan simple: hay ondas gravitacionales de diferentes tipos

Las fuentes de ondas gravitacionales hasta ahora detectadas y comprobadas por el LIGO corresponden al choque de agujeros negros que componen un sistema binario. Pero así como estos pueden emitir ondas, también pueden hacerlo estrellas de neutrones, con masas promedio equivalentes a 1,4 las del Sol, producto de supernovas de estrellas con masas de 4 a 8 veces la del Sol. Estas, ante la violenta explosión que supone su colapso, ven sus protones y electrones fusionarse y adoptar la forma de neutrinos. Según New Scientist, la colisión cataclísmica de dos estrellas de neutrones podría producir ondas gravitacionales, de acuerdo con observaciones de varios telescopios ópticos, incluyendo el Telescopio Espacial Hubble. 

Beatriz de Vera

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