Publican docenas de ondas gravitacionales procedentes del choque de agujeros negros

By 29/10/2020 Portal

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 recorre el universo a la velocidad de la luz, que se origina por la aceleración de grandes masas, y que en este caso procedía de la fusión o choque de dos agujeros negros. Esta primera detección fue histórica porque inauguró una era en la que los astrofísicos pueden rastrear el universo a través de estos «ecos» gravitacionales y porque demostró que es posible hacerlo: los observatorios de ondas gravitacionales cuentan con túneles de kilómetros de largo en los que los sensores detectan cambios de longitud (debidos a la presencia de ondas gravitacionales) menores al diámetro de un protón. De hecho, son tan sensibles que detectan las perturbaciones causadas por los aviones que pasan por encima o por el ruido de las instalaciones.

Albert Einstein pensaba que no sería posible detectar estas perturbaciones, porque serían demasiado minúsculas, pero desde 2015 se han sucedido las detecciones de fusiones de agujeros negros de varios tamaños e incluso se ha logrado detectar una fusión de estrellas de neutrones. En este tiempo, la sensibilidad de los instrumentos ha mejorado y nuevos observatorios han entrado en funcionamiento. Así hasta llegar a esta semana, en la que el gran consorcio de los buscadores de ondas gravitacionales, en el que hay 1.300 científicos, ha publicado un nuevo catálogo de eventos, de nombre GWTC-2, que eleva hasta 50 las detecciones de ondas gravitacionales. Con este catálogo no solo se bate un récord, sino que también se 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 3km

Virgo
El «zoo» de las ondas gravitacionales
«La gran meta es tener un gran «zoo» de parejas de agujeros negros», ha explicado a ABC Sascha Husa, profesor de investigación de la Universidad de Baleares y miembro del consorcio LIGO/Virgo. «Queremos saber cómo son los agujeros negros típicos, cuál es su masa máxima o su masa mínima. Y queremos comparar los modelos que explican la formación de distintos agujeros negros con las propiedades que observamos».

Al igual que los naturalistas se embarcaron hace siglos en expediciones con rumbo a las remotas islas del Pacífico, los detectores de ondas gravitacionales están ahora dando sus primeros pasos por el territorio de lo desconocido. Buscan parejas de objetos compactos, estrellas de neutrones y agujeros negros, cuya fusión puede detectarse y dar mucha información sobre su naturaleza.

Representación de la fusión de dos estrellas de neutrones. Entender estos fenómenos permite comprender mejor la evolución y destino del universo y estudiar la materia y la energía en las condiciones más extremas. También permite poner a prueba la Relatividad de Einstein

ESO
Estas parejas de objetos están esparcidos por el universo, formados por distintos procesos que no siempre son bien conocidos. En general, ambos objetos compactos danzan uno alrededor del otro, atrapados por una gravedad que cada vez los acerca más. A medida que eso ocurre, van disipando energía en forma de ondas gravitacionales, hasta llegar a un clímax en el que alcanzan velocidades de vértigo, y finalmente se funden en uno solo, liberando un gran «destello» de ondas gravitacionales. Dichas ondas recorren distancia de millones o cientos de millones de años luz y atraviesan la Tierra, ya notablemente atenuadas, sin que sea posible percibirlo si no es con un detector extremadamente sofisticado como LIGO o Virgo.

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

Estudiar estas parejas de estrellas de neutrones o de agujeros negros es muy interesante, porque las primeras son un extraño objeto donde la materia se compacta al máximo (tanto que una sola cucharada de café de esta materia pesa 5.000 millones de toneladas) y exhibe muy exóticas propiedades. Los agujeros negros, por su parte, son cruciales para entender la evolución del cosmos y están más allá de la física que conocemos. Además de todo esto, las fusiones de estas parejas también permiten poner a prueba la Relatividad General de Albert Einstein, que explica la gravedad en el universo, y descubrir si hay que ampliar esta teoría.

Todo tipo de combinaciones
Esta semana, las colaboraciones científicas de los detectores de ondas gravitacionales de Estados Unidos y Europa, LIGO y Virgo, respectivamente, han actualizado el catálogo «zoológico» de los tipos de fusiones de objetos compactos descubiertos hasta ahora. Mientras que el catálogo anterior tenía 11, éste alcanza los 50. Un total de 39 de ellas se detectaron en tan solo seis meses, durante la primera fase del periodo de observación O3, que comenzó en abril de 2019.

Las nuevas señales proceden de las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones en todas las posibles combinaciones. La mayoría son rutinarias, porque proceden de las fusiones de agujeros negros más típicas, en las que chocan objetos de varias decenas de masas solares, pero otras fueron tan peculiares o importantes que se publicaron ya hace meses.

Diagrama en el que se clasifica la fusión de agujeros negros (azul) y estrellas de neutrones (amarillo), en función de la masa de cada miembro de la pareja, y del resultado tras la fusión

LIGO Virgo Collaboration / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern
Entre las más llamativas y ya publicadas, está la primera observación de una fusión de agujeros negros de distinta masa, la probable segunda observación de la fusión de dos estrellas de neutrones, la fusión de la pareja más masiva (hasta alcanzar 150 masas solares) y la fusión de un agujero de 23 masas solares con un objeto misterioso mucho más ligero.

Al margen de éstas, ahora se han publicados dos fusiones más que han destacado por sus características: una en la que los agujeros negros son muy poco masivos (alcanzan las seis y las nueves masas solares) y otra en la que puede haber implicado un agujero negro de seis masas solares y una estrella de neutrones.

Los límites del conocimiento
¿Qué importancia tiene toda esta variedad de observaciones? Tal como ha explicado Sascha Usha, las observaciones más interesantes son aquellas que recogen fenómenos raros o que no tienen una explicación clara. «Buscamos problemas que desafían lo que los astrofísicos ya saben, por eso estamos aquí y gastamos tanto dinero: si buscásemos lo que ya conocemos no tendría sentido».

Según ha proseguido, en astrofísica existen multitud de modelos y de posibilidades teóricas para explicar las observaciones, pero hay que hacer observaciones para aceptar o refutar estas ideas. «Cuando detectamos algo fuera de lo normal, que no puedes entender, es un momento muy emocionante, pero también sabes que te va a llevar mucho trabajo».

¿Hay agujeros negros primordiales?
Por ahora, los límites del conocimiento aparecen cuando las masas de los objetos que se fusionan son muy pequeñas o muy grandes. Los más ligeros están relacionados con el «hueco de masas», un abanico 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 no tiene menos de cinco masas solares, mientras que la mayor estrella de neutrones no supera las tres.

Por eso, encontrar una fusión de objetos en este rango obligaría a cambiar las ideas sobre las estrellas de neutrones o los agujeros negros. Incluso, estas observaciones podrían apoyar la hipótesis de la existencia de los agujeros negros primordiales, objetos formados tras el Big Bang y que podrían ser una explicación para la masa invisible del universo, la materia oscura.

«Para clarificar este tipo de objetos —»raros», cuya clasificación no está clara—, necesitamos más observar más eventos y obtener la contraparte electromagnética», ha dicho Uscha. Es decir, es necesario observar las fusiones por medio de telescopios de ondas electromagnéticas (rayos X o rayos gamma), para obtener más información, por medio de más «sentidos». Hasta ahora, sin embargo, solo se ha logrado observar con telescopios una fusión detectada con ondas gravitacionales en 2017.

Supercomputadores para analizar los datos
A base de mejorar los instrumentos y de disminuir el ruido, mejorando los modelos que lidian con él, 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. Una buena parte del trabajo ha dependido de desarrollar los modelos con los que analizar e interpretar los datos y descartar 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 operar con supercomputadores, como el español Mare Nostrum
.

«Necesitamos modelos precisos de la forma de las ondas (…) para poder identificar las diferentes fuentes astrofísicas, comprender su población en el universo y llevar a cabo exámenes de la gravedad», ha dicho en un comunicado Alessandra Buonanno, director del Instituto Albert Einstein en Potsdam, Alemania, y miembro del consorcio.

Esta necesidad de tener los modelos y de ponerlos a prueba implica que sea necesario entre medio año y un año y medio para poder confirmar la detección de uno de estos eventos de fusión. Todo depende en buena medida de cuán excepcional sea dicho evento.

Por último, junto al catálogo el consorcio LIGO/Virgo ha publicado tres artículos en el servidor «arXiv». En uno se ha evaluado cómo encajan las fusiones detectadas con la Relatividad, sin encontrar evidencias de nueva Física, otro explica qué aportan las observaciones sobre la población del universo y el tercero habla de señales que podrían ser detectadas por medio de ondas gravitacionales y rayos gamma.

¿Qué es lo próximo?
Además de las observaciones ya publicadas, hay 23 eventos de fusión más esperando a ser confirmados. El próximo período de observación, de nombre O4, está previsto para finales de 2021 y, por primera vez, los detectores alcanzarán la sensibilidad para la que están diseñados: gracias a esto, se localizarán eventos a mayores distancias y se detectarán todavía más eventos cada semana.

Dentro de una década, los futuros observatorios de ondas gravitacionales, como LISA o el Einstein Telescope, permitirán detectar la fusión de agujero negros mucho más masivos, como los situados en el centro de las galaxias.