Decenas de ondas gravitacionales son liberadas por la colisión de agujeros negros



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En septiembre de 2015 se confirmó la primera detección directa de una onda gravitacional, una especie de eco de una gran colisión: Se trata de una perturbación del espacio-tiempo que viaja por el universo a la velocidad de la luz, que es provocada por la aceleración de grandes masas, y que en este caso resultó de la fusión o colisión de dos agujeros negros. Esta primera detección fue histórica porque marcó el comienzo de una era en la que los astrofísicos pueden seguir el universo a través de estos «ecos» gravitacionales y porque ha demostrado que es posible hacerlo: los observadores de ondas gravitacionales tienen túneles de un kilómetro de longitud en los que los sensores detectan variaciones de longitud (debido a la presencia de ondas gravitacionales) menores que el diámetro de un protón. De hecho, son tan sensibles que detectan perturbaciones provocadas por el paso de aeronaves o el ruido de estructuras.

Albert Einstein pensó que no sería posible detectar estas perturbaciones, porque serían demasiado pequeñas, pero desde 2015 se han detectado fusiones de agujeros negros de varios tamaños y también se ha detectado una fusión de estrellas de neutrones. Durante este tiempo, la sensibilidad de los instrumentos ha mejorado y han entrado en funcionamiento nuevos observadores. Hasta esta semana, el gran consorcio de buscadores de ondas gravitacionales, que incluye a 1.300 científicos, ha publicado un nuevo catálogo de eventos, llamado GWTC-2, que aumenta las detecciones de ondas gravitacionales a 50. Con este catálogo, no solo se rompe un récord, sino que también avanza en el objetivo de estudiar el universo a través de estas peculiares señales.

Vista aérea del detector Virgo, en Cascina, cerca de Pisa (Italia), con dos brazos de 3 km
Vista aérea del detector Virgo, en Cascina, cerca de Pisa (Italia), con dos brazos de 3 km – Virgen

El «zoológico» de las ondas gravitacionales

«El gran objetivo es tener un gran» zoológico «de pares de agujeros negros», dijo a Alicantur Noticias. Sascha husa, profesor investigador de la Universidad de las Illes Balears y miembro del consorcio LIGO / Virgo. «Queremos saber cómo son los agujeros negros típicos, cuál es su masa máxima o mínima. Y queremos comparar los modelos que explican la formación de diferentes agujeros negros con las propiedades que observamos».

Así como los naturalistas se embarcaron en expediciones a islas remotas del Pacífico hace siglos, Las ondas gravitacionales ahora están dando sus primeros pasos. A través del territorio de lo desconocido Buscan pares de objetos compactos, estrellas de neutrones y agujeros negros, cuya fusión se puede detectar y da mucha información sobre su naturaleza.

Representación de la fusión de dos estrellas de neutrones.  Comprender estos fenómenos nos permite comprender mejor la evolución y el destino del universo y estudiar la materia y la energía en las condiciones más extremas.  También le permite probar la relatividad de Einstein
Representación de la fusión de dos estrellas de neutrones. Comprender estos fenómenos nos permite comprender mejor la evolución y el destino del universo y estudiar la materia y la energía en las condiciones más extremas. También le permite probar la relatividad de Einstein: ESE

Estos pares de objetos se encuentran dispersos por todo el universo, formados por diferentes procesos que no siempre son bien conocidos. En general, ambos objetos compactos bailan uno alrededor del otro, atrapados por una gravedad que los acerca cada vez más. Cuando esto sucede, disipan energía en forma de ondas gravitacionales, alcanzando un pico donde alcanzan velocidades vertiginosas, y finalmente se fusionan en una, liberando un gran «destello» de ondas gravitacionales. Estas ondas recorren una distancia de millones o cientos de millones de años luz y atraviesan la Tierra, ya considerablemente atenuada, sin que sea posible percibirla salvo con un detector sumamente sofisticado como LIGO o Virgo.

Los detectores de ondas gravitacionales están dando sus primeros pasos en el territorio de lo desconocido

Estudiar estos pares de estrellas de neutrones o agujeros negros es muy interesante, porque los primeros son un extraño objeto en el que la materia se compacta al máximo (tanto es así que una sola cucharadita de este material pesa 5.000 millones de toneladas) y exhibe propiedades muy exóticas. Los agujeros negros, por su parte, son fundamentales para comprender la evolución del cosmos y están más allá de la física que conocemos. Además de todo esto, las fusiones de estos pares también nos permiten probar la Relatividad General de Albert Einstein, que explica la gravedad en el universo, y averiguar si esta teoría necesita ser ampliada.

Todo tipo de combinaciones

Las colaboraciones científicas de los detectores de ondas gravitacionales de EE. UU. Y Europa, LIGO y Virgo respectivamente, se actualizaron esta semana el catálogo «zoológico» de los tipos de fusiones de objetos compacto descubierto hasta ahora. Mientras que el catálogo anterior tenía 11, esto llega a 50. Un total de 39 de ellos fueron detectados en solo seis meses, durante la primera fase del período de observación O3, que comenzó en abril de 2019.

Los nuevos signos provienen de fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones en todas las combinaciones posibles. La mayoría son rutinarias, porque provienen de fusiones de agujeros negros más típicas, donde chocan objetos de varias docenas de masas solares, pero otras eran tan distintivas o importantes que se publicaron hace meses.

Diagrama en el que se clasifica la fusión de agujeros negros (azul) y estrellas de neutrones (amarillo), en base a la masa de cada miembro del par y el resultado tras la fusión
Diagrama en el que se clasifica la fusión de agujeros negros (azul) y estrellas de neutrones (amarillo), en base a la masa de cada miembro del par y el resultado tras la fusión – Colaboración LIGO Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern

Entre los más llamativos y ya publicados, se encuentra la primera observación de una fusión de agujeros negros de diferentes masas, la probable segunda observación de la fusión de dos estrellas de neutrones, la fusión del par más masivo (hasta 150 masas solares) y la fusión de un agujero de 23 masas solares con un objeto misterioso mucho más ligero.

Además de estas, ahora se han publicado otras dos fusiones que han destacado por sus características: una en la que los agujeros negros tienen una masa muy ligera (alcanzan seis y nueve masas solares) y otra en la que puede haber estado involucrado un agujero. . negro con seis masas solares y una estrella de neutrones.

Los límites del conocimiento

¿Qué importancia tiene toda esta variedad de observaciones? Como explicó Sascha Usha, las observaciones más interesantes son aquellas que recogen fenómenos raros o que no tienen una explicación clara. «Buscamos problemas que desafíen lo que ya saben los astrofísicosPor eso estamos aquí y gastamos tanto dinero: si buscáramos lo que ya sabemos, no tendría sentido.

Como continuó, hay una multitud de modelos y posibilidades teóricas en astrofísica para explicar las observaciones, pero se deben hacer observaciones para aceptar o refutar estas ideas. «Cuando detectamos algo fuera de lo común que no puedes entender, es un momento muy emocionante, pero también sabes que requerirá mucho trabajo».

¿Hay agujeros negros primordiales?

Por ahora, los límites del conocimiento aparecen cuando las masas de objetos fusionados son muy pequeñas o muy grandes. Los más ligeros están relacionados con la «brecha de masa», un rango de masas en el que no está claro si un objeto es un agujero negro o una estrella de neutrones, porque se supone que el agujero más pequeño tiene no menos de cinco masas solares. mientras que la estrella de neutrones más grande no supera las tres.

Porque, encontrar una fusión de objetos en este rango le obligaría a cambiar de opinión en estrellas de neutrones o agujeros negros. Estas observaciones también podrían apoyar la hipótesis de la existencia de agujeros negros primordiales, objetos formados después del Big Bang y que podrían ser un explicación de la masa invisible del universo, materia oscura.

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«Para aclarar este tipo de objetos, ‘raros’, cuya clasificación no está clara, necesitamos más para observar más eventos y obtener la contraparte electromagnética», dijo Uscha. Es decir, es necesario observar las fusiones mediante telescopios de ondas electromagnéticas (rayos X o rayos gamma), para obtener más información, a través de más «sentidos». Sin embargo, hasta ahora, una fusión detectada con ondas gravitacionales en 2017 solo se ha observado con telescopios.

Supercomputadora para analizar datos

Al mejorar los instrumentos y reducir el ruido, mejorando los modelos que lo tratan, los científicos de LIGO y Virgo han logrado aumentar la sensibilidad de los detectores y aumentar el número de eventos observados, hasta uno cada seis días. Gran parte del trabajo dependía del desarrollo de modelos con los que analizar e interpretar los datos y excluir el ruido de fondo. Aunque la señal de la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones dura un segundo o dos minutos, respectivamente, los modelos para trabajar con esta información requieren hasta tres años de trabajo y trabajo con supercomputadoras, como los españoles Mare Nostrum.

«Necesitamos modelos precisos de la forma de onda (…) para poder identificar diferentes fuentes astrofísicas, comprender su población en el universo y realizar pruebas de gravedad», dijo en un comunicado. Alessandra buonanno, director del Instituto Albert Einstein en Potsdam, Alemania, y miembro del consorcio.

Esta necesidad de tener los modelos y probarlos implica que se necesitan entre seis meses y un año y medio para confirmar la detección de uno de estos eventos de fusión. Todo depende en gran medida de lo excepcional que sea el evento.

Finalmente, junto con el catálogo, el consorcio LIGO / Virgo publicó tres artículos en el servidor «arXiv». En uno, se evaluó cómo encajan las fusiones detectadas en la Relatividad, sin encontrar evidencia de nueva física, otro explica qué contribución tienen las observaciones sobre la población del universo y el tercero habla de señales que podrían ser detectadas por ondas gravitacionales y rayos gamma.

¿Que sigue?

Además de las observaciones ya publicadas, hay otros 23 eventos de fusión a la espera de ser confirmados. El próximo período de observación, denominado O4, está previsto para finales de 2021 y, por primera vez, los detectores alcanzarán la sensibilidad para la que están diseñados: gracias a ello, los eventos se ubicarán a mayores distancias y se detectarán aún más eventos. cada semana.

Dentro de una década, los futuros observatorios de ondas gravitacionales, como el LISA o el telescopio Einstein, podrán detectar la fusión de agujeros negros mucho más masivos, como los que se encuentran en el centro de las galaxias.

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