Otra ventana al Universo

Agujeros negros se aprestan a chocarse y emiten ondas gravitacionales, visibles en colores falsos en esta simulación en computadora

S. Ossokine, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), W. Benger (Airborne Hydro Mapping GmbH)

La detección de ondas gravitacionales generará estudios sobre fenómenos altamente energéticos que emiten poca o ninguna luz

El día 14 septiembre de 2015, los instrumentos del Observatorio Interferométrico de Ondas Gravitacionales (Ligo), en Estados Unidos, registraron por primera vez el paso de ondas gravitacionales por la Tierra. Esta observación comprobó la existencia de esas deformaciones del propio espacio, que Albert Einstein había previsto hace 100 años valiéndose de su Teoría de la Relatividad General, en 1915. Los científicos esperan a partir de ahora aprovechar esas ondas para estudiar fenómenos astrofísicos altamente energéticos que emiten escasa o ninguna luz, lo que torna su observación casi imposible, aun cuando se emplean los más potentes telescopios disponibles.

“Lo que viene ahora realmente entusiasma”, dijo el físico David Reitze, director ejecutivo del Ligo, en el anuncio ante la prensa de este descubrimiento histórico. “Como cuando Galileo observó el cielo con un telescopio por primera vez, en 1509, hemos abierto ahora una nueva ventana al Universo.”

Al cabo de meses de análisis y verificaciones, el equipo internacional de investigadores del Ligo arribó a la conclusión de que el origen de las ondas habría sido un violento evento cósmico nunca antes registrado desde un observatorio astronómico: la colisión y la fusión de dos agujeros negros acaecidas a 1.300 millones de años luz de la Tierra. De acuerdo con esos cálculos, publicados el 11 de febrero en Physical Review Letters, la fusión de los agujeros negros habría liberado una cantidad de energía equivalente a la de la aniquilación completa de tres estrellas con la masa del Sol en menos de 0,2 segundo. Lo más sorprendente es que, por lo que parece, nada de esa energía fue liberada en forma de luz o de partículas de materia. El choque de los agujeros negros generó una explosión invisible y su energía se propagó por el Universo en forma de ondas gravitacionales.

Al mismo tiempo, el registro realizado en el Ligo constituye la primera evidencia directa de la existencia de ondas gravitacionales y de agujeros negros. Antes, sólo había señales indirectas. “Es una confirmación espectacular de nuestros cálculos de la Teoría de la Relatividad General realizados desde la Tierra”, afirmó el físico italiano Riccardo Sturani, del Instituto Sudamericano de Investigación Fundamental del Centro Internacional de Física Teórica (ICTP-SAIFR), que funciona en São Paulo en colaboración con el Instituto de Física Teórica de la Unesp.

Sturani forma parte del equipo de más de mil investigadores de 15 países que colaboraron en el desarrollo tecnológico del Ligo y en el análisis de sus datos. Es experto en el cálculo de las formas de las ondas gravitacionales que son resultado de colisiones violentas entre cuerpos celestes densos y compactos, con masas similares a las de estrellas gigantes concentradas en volúmenes de unos pocos kilómetros de diámetro. Los astrofísicos sólo conocen dos tipos de objetos de así: los agujeros negros y las estrellas de neutrones.

Creadas a partir de la implosión del núcleo de una estrella gigante, las estrellas de neutrones concentran la masa de 1 a 3 soles en una esfera de 20 kilómetros de diámetro. Los astrónomos observan rutinariamente la luz, las ondas de radio y los rayos X emitidos por estrellas de neutrones, pero aún no saben mucho sobre su interior. “En el centro de una estrella de neutrones existen presiones y densidades altísimas, más elevadas que aquéllas situadas en el interior del núcleo de un átomo”, explica Cecilia Chirenti, física teórica de la Universidad Federal del ABC. Chirenti investiga de qué manera la forma de las ondas gravitacionales emitidas por estrellas de neutrones puede variar de acuerdo con la composición interna de dichos astros. “No sabemos de qué forma se comporta la materia en esas condiciones. Existen muchos modelos y las ondas gravitacionales pueden ayudar a verificar cual representa mejor la realidad.”

Desde 1974, los astrónomos han venido observando indirectamente ondas gravitacionales provenientes de estrellas de neutrones. Pero esas ondas tienen amplitud y frecuencia demasiado bajas como para que se las pueda detectar desde el Ligo.

Al igual que las estrellas de neutrones, los agujeros negros también pueden crearse debido a la implosión del núcleo de estrellas gigantes, de masa aún más elevada. En ese caso, la implosión provoca el colapso total de la materia, que se transforma en energía gravitacional pura. En lugar del antiguo núcleo estelar, surge una superficie esférica en el espacio vacío llamada horizonte de eventos. Nada, ni siquiera la luz, escapa a la fuerza gravitacional de esa superficie, de allí el origen del nombre de agujero negro.

Así como los agujeros negros, las ondas gravitacionales son algunas de las previsiones más famosas de la Teoría Relatividad General de Einstein. El científico la formuló en 1915 para explicar la gravitación con base en su Teoría de la Relatividad Especial, de 1905. De acuerdo con la Relatividad General, la gravedad no es una fuerza de atracción que actúa instantáneamente entre dos cuerpos, tal como lo había postulado dos siglos antes el físico y matemático inglés Isaac Newton. La Teoría de la Relatividad Especial desestima la existencia de fuerzas instantáneas, porque, según esta teoría, nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. Para corregir ese detalle de la teoría de Newton, Einstein tuvo que reinterpretar la idea de gravitación, que dejó de verse entonces como una fuerza para pasar a ser entendida como una deformación de la geometría del espacio provocada por la masa de los cuerpos.

Es más fácil entender lo que sucede cuando se imagina una bala de cañón en el centro de una cama elástica. La bala estira la trama y se hunde. Si alguien arroja una bola de billar en forma tangencial a la bala de cañón, verá que la bola menor no recorre una línea reta. A partir de cierto punto, pasará describir círculos alrededor de la bala, algo similar a lo que hace la Tierra en su órbita alrededor del Sol.

La fuente de las deformaciones en el espacio es la presencia de una gran masa como la del Sol o la de la Tierra. Einstein se dio cuenta de que, en determinadas circunstancias, un cuerpo en movimiento acelerado también podría causar deformaciones pasajeras en el espacio, que se propagarían en la forma de ondas viajando a la velocidad de la luz. En la práctica, esas ondulaciones serían percibidas como una fuerza pasajera que deforma los objetos que encuentra en su camino (vea la infografía). Einstein notó también que, en general, la deformación (o la amplitud) de esas ondas sería demasiado pequeña como para detectárselas.

A partir de la década de 1960, se notó que quizá fuese posible medir las ondas. Y enseguida quedó claro que la mayoría de las fuentes de ondas gravitacionales estarían a centenas de millones de años luz de distancia. Cuando llegasen a la Tierra, estarían tan diluidas que provocarían desplazamientos ínfimos.

De todos modos, grupos de científicos de diversos países se aventuraron a construir detectores de ondas gravitacionales. Por ahora, el Ligo es el mayor y el más sensible de éstos. Este proyecto fue concebido en 1982 y su construcción terminó casi 20 años después. En 2010, una reforma aumentó tres veces su sensibilidad. Al reconectárselo en septiembre de 2015, sus instrumentos detectaron ondas gravitacionales desde los primeros días de operación.

Los brazos en forma de “L” de uno de los observatorios gemelos del Ligo, en Hanford, Washington, Estados Unidos

LIGO Laboratory

El Ligo cuenta con dos detectores gemelos, uno situado en la ciudad de Hanford, en el estado de Washington, y el otro ubicado a tres mil kilómetros de allí, en Livingston, en Luisiana. Las instalaciones de los detectores tienen forma de “L”, y cada brazo mide cuatro kilómetros. Un sistema de láseres y espejos monitorea alteraciones ínfimas en la longitud de cada brazo. Los detectores captan una cantidad inmensa de ruido, como el que provocan el tránsito de aviones y automóviles o las ondas sísmicas. En medio de todas esas interferencias, computadoras barren las variaciones de tamaño que sólo las ondas gravitacionales serían capaces de provocar simultáneamente en los detectores gemelos.

“La búsqueda se lleva a cabo comparando los datos de los detectores con señales simuladas por computadora”, explica el físico César Augusto Costa, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe). Costa pertenece al grupo brasileño liderado por el físico Odylio Aguiar, del Inpe, que integra la colaboración internacional del Ligo. El equipo de Aguiar colabora con la investigación con el objetivo de eliminar los ruidos y perfeccionar los detectores del Ligo, cuya sensibilidad aumentará 10 veces con relación a la inicial en los próximos años.

Una extraña pareja
El Ligo funcionó desde septiembre de 2015 hasta enero de 2016, pero sólo los datos recabados durante las dos primeras semanas se han analizado. De acuerdo con Sturani, la evaluación completa de lo que se observó durante los cuatro meses de mediciones debe salir publicada pronto. Otro observatorio de ondas gravitacionales, el Virgo, situado en Italia, empezará a funcionar a finales de este año. La primera señal registrada por el Ligo es lo suficientemente inusual como para ocupar durante meses a los astrofísicos. Esas ondas se generaron debido a la colisión de dos agujeros con masas 36 y 29 veces mayor que la masa solar. “Tienen masa demasiado elevada para agujeros negros formados debido a un colapso estelar”, dice el astrofísico Rodrigo Nemmen, de la Universidad de São Paulo. “Creemos que eventos de colisión entre dos agujeros negros de esa masa serían raros.”

Cuando el Ligo detectó las primeras ondas gravitacionales, los científicos calcularon que la fuente de las mismas estaría en una franja del hemisferio sur celeste y, secretamente, advirtieron a los observatorios del mundo que debían buscar algo extraño en el cielo. La cámara del proyecto Dark Energy Survey (DES), montada en un telescopio de Cerro Tololo, en Chile, barrió el cielo durante tres semanas sin hallar ninguna señal de luz emitida.

En aquel momento no estaba clara cuál era la fuente de las ondas detectadas, recuerda la física brasileña Marcelle Soares-Santos, del Fermilab, en Estados Unidos, quien coordinó el análisis de las observaciones del DES. “Puede haber emisión de luz visible en la colisión de un dúo formado por un agujero negro y una estrella de neutrones o dos estrellas de neutrones”, explica. “Los pares de agujeros negros son más raros que los sistemas con estrellas de neutrones, por eso en el futuro esperamos registrar muchos eventos que el DES y otros proyectos podrán observar”. Sin embargo, otro observatorio, el telescopio espacial Fermi, de la Nasa, registró un brillo débil de rayos gamma 0,4 segundo después de que el Ligo detectara la primera onda gravitacional. “Es posible que esa emisión haya sido producida en la fusión de los agujeros negros, lo cual sería sumamente inesperado”, dice Nemmen. “Pero, probablemente, fue sólo una coincidencia temporal y la radiación gamma llegó proveniente de otro lugar.”

Proyectos
1. Investigación en ondas gravitacionales (nº 2013/04538-5); Modalidad Programa Jóvenes Investigadores; Investigador responsable Riccardo Sturani (IFT-Unesp); Inversión R$ 256.541,00.
2. Gravitational wave astronomy – FAPESP-MIT (nº 2014/50727-7); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Riccardo Sturani (IFT-Unesp); Inversión R$ 29.715,00.
3. Una nueva física en el espacio: ondas gravitacionales (nº 2006/56041-3); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Odylio Denys de Aguiar (Inpe); Inversión R$ 1.019.874,01.
4. Astrofísica relativista y ondas gravitacionales (nº 2015/20433-4); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Cecilia Chirenti (UFABC); Inversión R$ 56.109,48.

Artículo científico
ABOTT, B. P. et al. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger. Physical Review Letters. 11 feb. 2016.

Fuentes: Revista Pesquisa