Se espera que la primera detección directa de ondas gravitacionales sea anunciada el 11 de febrero por científicos del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser avanzado (LIGO). Usando dos detectores LIGO gigantes, uno en Livingston, Louisiana y el otro en Hanford, Washington, los científicos midieron las ondas en el espacio-tiempo que se generan por la colisión de dos agujeros negros y parecen haber encontrado finalmente lo que estaban buscando.
Tal afirmación confirmaría las ondas gravitacionales predichas por Albert Einstein, que hizo parte de su teoría general de la relatividad hace 100 años, pero las consecuencias no terminarán ahí. Como vibración del tejido del espacio-tiempo, las ondas gravitacionales a menudo se comparan con el sonido, incluso se transforman en pistas de sonido. Los telescopios de ondas gravitacionales permitirían a los científicos "escuchar" los fenómenos de la misma manera que los telescopios de luz los "ven".
Cuando LIGO luchó por obtener fondos del gobierno de Estados Unidos a principios de la década de 1990, los astrónomos fueron sus principales contendientes en las audiencias del Congreso. “En aquel entonces se pensaba que LIGO no tenía nada que ver con la astronomía”, dice Clifford Will, un teórico de la relatividad general de la Universidad de Florida en Gainesville y uno de los primeros defensores de LIGO. Pero muchas cosas han cambiado desde entonces.
Bienvenido al campo de la astronomía de ondas gravitacionales. Repasemos los problemas y fenómenos que ella podría revelar.
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¿Existen realmente los agujeros negros?
La señal esperada del anuncio de LIGO puede haber sido producida por dos agujeros negros fusionados. Eventos como estos son los más enérgicos que se conocen; la fuerza de las ondas gravitacionales emitidas por ellos puede eclipsar brevemente todas las estrellas del universo observado en total. La fusión de agujeros negros también es bastante fácil de interpretar a partir de ondas gravitacionales muy puras.
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La señal esperada del anuncio de LIGO puede haber sido producida por dos agujeros negros fusionados. Eventos como estos son los más enérgicos que se conocen; la fuerza de las ondas gravitacionales emitidas por ellos puede eclipsar brevemente todas las estrellas del universo observado en total. La fusión de agujeros negros también es bastante fácil de interpretar a partir de ondas gravitacionales muy puras.
La fusión de los agujeros negros ocurre cuando dos agujeros negros giran alrededor del otro, emitiendo energía en forma de ondas gravitacionales. Estas ondas tienen un sonido característico (chirrido) que se puede utilizar para medir la masa de estos dos objetos. Después de eso, los agujeros negros suelen fusionarse.
“Imagina dos pompas de jabón que se acercan lo suficiente para formar una burbuja. La burbuja más grande está deformada”, dice Tybalt Damour, un teórico gravitacional del Instituto de Investigación Científica Avanzada cerca de París. El agujero negro final será perfectamente esférico, pero primero debe emitir ondas gravitacionales de un tipo predecible.
Una de las implicaciones científicas más importantes del descubrimiento de fusiones de agujeros negros será la confirmación de la existencia de agujeros negros, al menos objetos perfectamente circulares compuestos de espaciotiempo puro, vacío y curvo, como predice la relatividad general. Otra consecuencia es que la fusión procede como predijeron los científicos. Los astrónomos tienen mucha confirmación indirecta de este fenómeno, pero hasta ahora estas han sido observaciones de estrellas y gas sobrecalentado en la órbita de los agujeros negros, y no los agujeros negros en sí.
“A la comunidad científica, incluido yo mismo, no le gustan los agujeros negros. Los damos por sentado”, dice Frans Pretorius, especialista en simulaciones de relatividad general en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. "Pero si piensas en lo asombrosa que es esta predicción, necesitamos pruebas realmente asombrosas".
¿Las ondas gravitacionales se mueven a la velocidad de la luz?
Cuando los científicos comienzan a comparar las observaciones de LIGO con las de otros telescopios, lo primero que comprueban es si la señal llegó al mismo tiempo. Los físicos creen que la gravedad es transmitida por partículas de gravitón, el análogo gravitacional de los fotones. Si, como los fotones, estas partículas no tienen masa, entonces las ondas gravitacionales se moverán a la velocidad de la luz, de acuerdo con la predicción de la velocidad de las ondas gravitacionales en la relatividad clásica. (Su velocidad puede verse influenciada por la expansión acelerada del Universo, pero esto debería manifestarse a distancias significativamente superiores a las cubiertas por LIGO).
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Sin embargo, es muy posible que los gravitones tengan una masa pequeña, lo que significa que las ondas gravitacionales se moverán a una velocidad menor que la de la luz. Entonces, por ejemplo, si LIGO y Virgo detectan ondas gravitacionales y descubren que las ondas llegaron a la Tierra más tarde de lo asociado con un evento cósmico de rayos gamma, esto podría tener consecuencias fatídicas para la física fundamental.
¿El espacio-tiempo está hecho de cuerdas cósmicas?
Un descubrimiento aún más extraño podría ocurrir si se detectaran ráfagas de ondas gravitacionales que emanan de "cuerdas cósmicas". Estos hipotéticos defectos de curvatura del espacio-tiempo, que pueden estar o no relacionados con las teorías de cuerdas, deberían ser infinitamente delgados pero estirados a distancias cósmicas. Los científicos predicen que las cuerdas cósmicas, si existen, podrían doblarse accidentalmente; si la cuerda se dobla, provocará una oleada gravitacional que detectores como LIGO o Virgo podrían medir.
¿Pueden las estrellas de neutrones ser irregulares?
Las estrellas de neutrones son los restos de grandes estrellas que colapsaron por su propio peso y se volvieron tan densas que los electrones y protones comenzaron a fundirse en neutrones. Los científicos tienen poca comprensión de la física de los agujeros de neutrones, pero las ondas gravitacionales podrían decir mucho sobre ellos. Por ejemplo, la intensa gravedad en su superficie hace que las estrellas de neutrones se vuelvan casi perfectamente esféricas. Pero algunos científicos han sugerido que también pueden tener "montañas", de unos pocos milímetros de altura, que hacen que estos objetos densos, de 10 kilómetros de diámetro, no más, sean ligeramente asimétricos. Las estrellas de neutrones tienden a girar muy rápidamente, por lo que una distribución de masa asimétrica deformará el espacio-tiempo y producirá una señal de onda gravitacional sinusoidal constante, ralentizando la rotación de la estrella y radiando energía.
Los pares de estrellas de neutrones que giran entre sí también producen una señal constante. Como los agujeros negros, estas estrellas giran en espiral y eventualmente se fusionan en un sonido distintivo. Pero su especificidad difiere de la especificidad del sonido de los agujeros negros.
¿Por qué explotan las estrellas?
Los agujeros negros y las estrellas de neutrones se forman cuando las estrellas masivas dejan de brillar y colapsan sobre sí mismas. Los astrofísicos creen que este proceso está en el corazón de todos los tipos comunes de explosiones de supernovas de Tipo II. Las simulaciones de tales supernovas aún no han demostrado por qué se encienden, pero se cree que escuchar las explosiones de ondas gravitacionales emitidas por una supernova real proporciona una respuesta. Dependiendo de cómo se vean las ondas explosivas, qué tan fuertes son, con qué frecuencia ocurren y cómo se correlacionan con las supernovas rastreadas por los telescopios electromagnéticos, estos datos podrían ayudar a descartar un montón de modelos existentes.
¿Qué tan rápido se expande el universo?
El universo en expansión significa que los objetos distantes que se alejan de nuestra galaxia parecen más rojos de lo que realmente son, ya que la luz que emiten se extiende a medida que se mueven. Los cosmólogos estiman la tasa de expansión del universo comparando el corrimiento al rojo de las galaxias con lo lejos que están de nosotros. Pero esta distancia generalmente se estima a partir del brillo de las supernovas de Tipo Ia, y esta técnica deja muchas incertidumbres.
Si varios detectores de ondas gravitacionales en todo el mundo detectan señales de la fusión de las mismas estrellas de neutrones, juntos pueden estimar con absoluta precisión el volumen de la señal, así como la distancia a la que se produjo la fusión. También podrán evaluar la dirección, y con ella, identificar la galaxia en la que ocurrió el evento. Al comparar el corrimiento al rojo de esta galaxia con la distancia a las estrellas que se fusionan, se puede obtener una tasa independiente de expansión cósmica, posiblemente más precisa de lo que permiten los métodos actuales.
