Ahora se espera que la primera detección directa de ondas gravitacionales sea anunciada el 11 de febrero por el Observatorio avanzado de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO). Utilizando los detectores gemelos gigantes de LIGO, uno en Livingston, Louisiana, y el otro en Hanford, Washington, se dice que los investigadores han medido ondas en el espacio-tiempo producidas por una colisión entre dos agujeros negros.
Tal anuncio reivindicaría la predicción de Albert Einstein de las ondas gravitacionales, que hizo hace casi exactamente 100 años como parte de su teoría general de la relatividad, pero también tendría mucha más importancia. Como vibraciones en la estructura del espacio-tiempo, las ondas gravitacionales a menudo se comparan con el sonido, e incluso se han convertido en fragmentos de sonido. En efecto, los telescopios de ondas gravitacionales permiten a los científicos “escuchar” fenómenos al mismo tiempo que los telescopios basados en luz los “ven”. (Ya, los miembros de LIGO y su homólogo más pequeño Virgo en Pisa, Italia, han establecido un sistema para alertar a las comunidades que trabajan en otros tipos de telescopios).
Cuando LIGO luchó para obtener fondos del gobierno de Estados Unidos a principios de la década de 1990, sus principales opositores en las audiencias del Congreso eran astrónomos. “La opinión general era que LIGO no tenía mucho 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 partidarios de LIGO. Pero las cosas han cambiado ahora, dice.
- Creo que la física es principalmente una actividad de pensamiento lineal y la filosofía una actividad de pensamiento visual. ¿Se consideraba a la mayoría de los 'genios', como Einstein, activos en ambos?
- ¿Qué es el modelado energético?
- ¿Cómo lograría crear un globo con flotabilidad perfecta, en cuanto a dónde estaría 'flotando' el globo?
- ¿Es posible que un humano sobreviva cayendo a velocidad terminal y aterrizando en cualquier superficie?
- ¿Puedes tener un marco de referencia inercial en el que cualquier punto como un objeto se mueva con velocidad constante?
Bienvenido al campo de la astronomía de ondas gravitacionales: echamos un vistazo a las preguntas y los fenómenos que puede explorar.
¿Existen realmente los agujeros negros?
Se rumorea que la señal que LIGO anunciará el jueves fue producida por dos agujeros negros fusionados. Tales eventos son los más enérgicos conocidos; El poder de las ondas gravitacionales que emiten puede rivalizar brevemente con el de todas las estrellas combinadas en el Universo observable. Las fusiones de agujeros negros también se encuentran entre las señales de ondas gravitacionales más limpias para interpretar.
Una fusión de agujeros negros ocurre cuando dos agujeros negros comienzan a girar en espiral uno hacia el otro, irradiando energía como ondas gravitacionales. Estas ondas deben tener un sonido característico llamado chirrido, que puede usarse para medir las masas de los dos objetos. A continuación, los agujeros negros realmente se fusionan. “Es como si hubiera dos burbujas de jabón tan cerca que forman una burbuja. Inicialmente, la burbuja más grande se deforma “, dice Thibault Damour, un teórico de la gravedad en el Instituto de Estudios Científicos Avanzados cerca de París. El agujero negro único resultante se asentará en una forma perfectamente esférica, pero primero se predice que irradiará ondas gravitacionales en un patrón llamado anillo de llamada.
Una de las consecuencias científicas más importantes de detectar una fusión de agujeros negros sería la confirmación de que los agujeros negros realmente existen, al menos como los objetos perfectamente redondos hechos de espacio-tiempo puro, vacío y deformado que predice la relatividad general. Otra sería que las fusiones procedan según lo previsto. Los astrónomos ya tienen muchas pruebas circunstanciales de estos fenómenos, pero hasta ahora provienen de observaciones de las estrellas y gas sobrecalentado que orbitan los agujeros negros, no de los agujeros negros en sí.
“La comunidad científica, incluyéndome a mí, se ha vuelto muy descortés con respecto a los agujeros negros. Los hemos dado por sentados ”, 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 una predicción, realmente necesitamos evidencia sorprendente”.
¿Las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz?
Cuando los científicos comienzan a comparar las observaciones de LIGO con las de otros tipos de telescopios, una de las primeras cosas que verificarán es si las señales llegan al mismo tiempo. Los físicos plantean la hipótesis de que la gravedad se transmite por partículas llamadas gravitones, el análogo gravitacional de los fotones. Si, como los fotones, estas partículas no tienen masa, entonces las ondas gravitacionales viajarían a la velocidad de la luz, igualando la predicción de la velocidad de las ondas gravitacionales en la relatividad general clásica. (Su velocidad puede verse afectada por la expansión acelerada del Universo, pero eso debería manifestarse solo a distancias mucho mayores de lo que LIGO puede sondear).
Pero es posible que los gravitones tengan una ligera masa, lo que significaría que las ondas gravitacionales viajarían a menos de la velocidad de la luz. Entonces, si, por ejemplo, LIGO y Virgo detectaran ondas gravitacionales de un evento cósmico, y descubrieran que las ondas tardaron un poco más en llegar a la Tierra que la explosión asociada de rayos γ detectada por un telescopio más convencional, eso podría tener consecuencias trascendentales para la física fundamental
¿El espacio-tiempo está hecho de cuerdas cósmicas?
Una simulación de cuerdas cósmicas.
Mark Hindmarsh / Universidad de Sussex.
Un descubrimiento aún más extraño ocurriría si se detectaran explosiones de ondas gravitacionales provenientes de ‘cadenas cósmicas’. Estos defectos hipotéticos en la curvatura del espacio-tiempo, que pueden o no estar relacionados con la teoría de cuerdas, serían infinitamente delgados pero se extenderían a través de distancias cósmicas. Los investigadores han pronosticado que las cadenas cósmicas, si existen, pueden desarrollar torceduras ocasionalmente; Si una cuerda se rompiera, de repente liberaría una explosión de ondas gravitacionales, que los detectores como LIGO y Virgo podrían medir.
¿Son resistentes las estrellas de neutrones?
Las estrellas de neutrones son los restos de estrellas más grandes que colapsaron bajo su propio peso, volviéndose tan densas que empujaron a sus electrones y protones constituyentes a fusionarse en neutrones. Su física extrema es poco conocida, pero las ondas gravitacionales podrían proporcionar ideas únicas. Por ejemplo, la gravedad intensa en su superficie tiende a hacer que las estrellas de neutrones sean casi perfectamente esféricas. Pero algunos investigadores han teorizado que todavía podría haber ‘montañas’, como máximo unos pocos milímetros de altura, que hacen que estos objetos densos, ellos mismos de unos 10 kilómetros de diámetro, sean ligeramente asimétricos. Las estrellas de neutrones generalmente giran muy rápidamente, por lo que la distribución asimétrica de la masa deformaría el espacio-tiempo y produciría una señal de onda gravitacional continua en forma de onda sinusoidal, que irradiaría energía y ralentizaría el giro de la estrella.
Los pares de estrellas de neutrones que orbitan entre sí también producirían una señal continua. Al igual que los agujeros negros, las estrellas se unen en espiral y eventualmente se fusionan, a veces produciendo un sonido audible. Pero sus instantes finales diferirían dramáticamente de los de los agujeros negros. “Usted tiene un zoológico de posibilidades, dependiendo de las masas y cuánta presión puede ejercer la materia densa en neutrones”, dice Pretorius. Por ejemplo, la estrella fusionada resultante podría ser una gran estrella de neutrones, o podría colapsar inmediatamente y convertirse en un agujero negro.
¿Qué hace explotar 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 piensan que este proceso es lo que impulsa un tipo común de explosión de supernova, conocido como Tipo II. Las simulaciones de tales supernovas aún no han explicado claramente qué las enciende, pero escuchar las explosiones de ondas gravitacionales que se espera que produzca una supernova real podría ayudar a proporcionar una respuesta. Dependiendo de cómo se vean las formas de onda de las explosiones, qué tan fuertes son las explosiones, qué tan frecuentes son y cómo se correlacionan con las supernovas como se ve con los telescopios electromagnéticos, los datos podrían ayudar a validar o descartar varios modelos existentes.
¿Qué tan rápido se está expandiendo el Universo?
La expansión del Universo significa que los objetos distantes que se alejan de nuestra galaxia se ven más rojos de lo que realmente son, porque la luz que emiten se extiende a medida que viaja. Los cosmólogos estiman la tasa de expansión del Universo comparando este desplazamiento al rojo de las galaxias con lo lejos que están las galaxias de nosotros. Pero esa distancia generalmente se mide a partir del brillo de las supernovas ‘Tipo Ia’, una técnica que deja grandes incertidumbres.
Si varios detectores de ondas gravitacionales en todo el mundo detectan señales de la misma fusión de estrella de neutrones, juntos podrán proporcionar una estimación del volumen absoluto de la señal, que revelará qué tan lejos se produjo la fusión. También podrán estimar la dirección de donde vino; Los astrónomos podrían deducir qué galaxia fue la sede de la fusión. La comparación del desplazamiento al rojo de esa galaxia con la distancia de la fusión medida por el volumen de las ondas gravitacionales podría proporcionar una estimación independiente de la tasa de expansión cósmica, posiblemente más precisa que los métodos actuales.
Este artículo se reproduce con permiso y se publicó por primera vez el 9 de febrero de 2016.