a mediados de la década de 1980, Bernard Schutz ideó una nueva solución a uno de los problemas más antiguos de la astronomía: Cómo medir la distancia de la Tierra a otros objetos en el cosmos. Durante generaciones, los investigadores han confiado en el brillo de un objeto como un indicador aproximado de su distancia. Pero este enfoque conlleva un sinfín de complicaciones. Las estrellas oscuras cercanas, por ejemplo, pueden hacerse pasar por Estrellas brillantes que están más lejos.,
Schutz, un físico de la Universidad de Cardiff, Reino Unido, se dio cuenta de que las ondas gravitacionales podrían proporcionar la respuesta. Si los detectores pudieran medir estas ondas en el espacio-tiempo, emanando de pares de objetos distantes que interactúan, los científicos tendrían toda la información necesaria para calcular qué tan fuerte era la señal para empezar, y qué tan lejos debían haber viajado las ondas para llegar a la Tierra. Por lo tanto, predijo, las ondas gravitacionales podrían ser marcadores inequívocos de la rapidez con la que el universo se está expandiendo.,
su idea era elegante pero poco práctica: nadie en ese momento podía detectar ondas gravitacionales. Pero, en agosto pasado, Schutz finalmente tuvo la oportunidad de probar este concepto cuando las reverberaciones de una fusión de 130 millones de años entre dos estrellas de neutrones pasaron a través de detectores de ondas gravitacionales en la Tierra. Por suerte, el evento ocurrió en una galaxia relativamente cercana, produciendo una primera medida mucho más limpia de lo que Schutz había soñado. Con ese punto de datos, Schutz fue capaz de demostrar que su técnica podría convertirse en una de las más fiables para medir la distancia., «Era difícil de creer,» dice Schutz. «Pero ahí estaba.»
Más fusiones como esa podrían ayudar a los investigadores a resolver un debate en curso sobre la velocidad con la que el universo se está expandiendo actualmente. Pero la cosmología es solo una disciplina que podría obtener grandes ganancias a través de la detección de ondas gravitacionales en los próximos años., Con un puñado de descubrimientos ya bajo sus cinturones, los científicos de ondas gravitacionales tienen una larga lista de lo que esperan que aporten más datos, incluida una visión de los orígenes de los agujeros negros del Universo; las condiciones extremas dentro de las estrellas de neutrones; una crónica de cómo el universo se estructuró en galaxias; y las pruebas más estrictas hasta ahora de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Las ondas gravitacionales podrían incluso proporcionar una ventana a lo que sucedió en los primeros momentos después del Big Bang.,
Los investigadores pronto comenzarán a trabajar en esta lista, con la ayuda del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (Ligo), el Observatorio Virgo cerca de Pisa, Italia, y un detector similar en Japón que podría comenzar a hacer observaciones el próximo año. Obtendrán un impulso adicional de los interferómetros basados en el espacio, y de los terrestres que todavía están en el tablero de dibujo, así como de otros métodos que pronto podrían comenzar a producir sus propias primeras detecciones de ondas gravitacionales (ver ‘el espectro de ondas gravitacionales’).,
Like many scientists, Schutz hopes that the best discoveries will be ones that no theorist has even dreamed of., «Cada vez que empiezas a observar algo tan radicalmente nuevo, siempre existe la posibilidad de ver cosas que no esperabas.»
pistas giratorias
para un campo de investigación que aún no tiene tres años, la astronomía de ondas gravitacionales ha entregado descubrimientos a un ritmo asombroso, superando incluso las expectativas más optimistas. Además del descubrimiento en agosto de la fusión neutrón-estrella, LIGO ha registrado cinco pares de agujeros negros fusionándose en otros más grandes desde 2015 (Ver ‘haciendo olas’)., Los descubrimientos son la prueba más directa de que los agujeros negros realmente existen y tienen las propiedades predichas por la relatividad general. También han revelado, por primera vez, pares de agujeros negros orbitando entre sí.
Los investigadores ahora esperan descubrir cómo llegaron a ser tales emparejamientos. Los agujeros negros individuales en cada par deben formarse cuando las estrellas masivas se quedan sin combustible en sus núcleos y colapsan, desatando una explosión de supernova y dejando atrás un agujero negro con una masa que varía de unos pocos a unas pocas docenas de soles.,
fuente: LIGO/VIRGO; diseño de Nik Spencer/Nature
hay dos escenarios principales de cómo tales agujeros negros podrían llegar a circular entre sí: podrían comenzar como estrellas masivas en la órbita de y permaneced juntos incluso después de cada Supernova. O bien, los agujeros negros podrían formarse de forma independiente, pero ser impulsados juntos más tarde por frecuentes interacciones gravitacionales con otros objetos, algo que podría suceder en los centros de cúmulos estelares densos.,
de cualquier manera, la energía de los objetos se dispersa gradualmente en forma de ondas gravitacionales, un proceso que tira del par en una espiral cada vez más estrecha y más rápida, finalmente fusionándose en un agujero negro más masivo. Ilya Mandel, un astrofísico teórico de la Universidad de Birmingham, Reino Unido, dice que para que LIGO y Virgo vean fusionarse tales pares, los agujeros negros típicos deben haber comenzado su órbita mutua separada por una distancia de menos de un cuarto de la que existe entre la Tierra y el sol., «Si comienzas con los dos agujeros negros más separados, tomará más tiempo que la edad del Universo» para que se fusionen, dice Mandel.
Las cinco fusiones de agujeros negros descubiertas hasta ahora no son suficientes para determinar qué escenario de formación domina. Pero en un análisis de agosto de las tres primeras detecciones, un grupo que incluía a Mandel y Will Farr, un astrofísico teórico y miembro de LIGO en la Universidad de Birmingham, sugirió que solo diez observaciones más podrían proporcionar evidencia sustancial a favor de un escenario u otro 1., Esto implicaría escudriñar las ondas gravitacionales en busca de pistas sobre cómo giran los agujeros negros: aquellos que se emparejan después de formarse de forma independiente deberían tener espines orientados al azar, mientras que aquellos con un origen común deberían tener ejes de espín paralelos entre sí y aproximadamente perpendiculares al plano en el que orbitan.
otras observaciones también podrían proporcionar información sobre algunas de las preguntas fundamentales sobre la formación de agujeros negros y la evolución estelar., La recopilación de muchas mediciones de masas debería revelar brechas, rangos en los que existen pocos o ningún agujero negro, dice Vicky Kalogera, Astrofísica de LIGO en la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois. En particular,» debería haber una escasez de agujeros negros en el extremo de baja masa», dice, porque las supernovas relativamente pequeñas tienden a dejar estrellas de neutrones, no agujeros negros, como restos. Y en el extremo superior — alrededor de 50 veces la masa del sol-los investigadores esperan Ver otro corte., En Estrellas Muy grandes, se cree que las presiones en el núcleo eventualmente producen antimateria, causando una explosión tan violenta que la estrella simplemente se desintegra sin dejar ningún remanente en absoluto. Estos eventos, llamados supernovas de inestabilidad de pares, han sido teorizados, pero hasta ahora ha habido poca evidencia observacional que los respalde.
eventualmente, las detecciones de agujeros negros delinearán un mapa del universo de la manera en que lo hacen las encuestas de galaxias actualmente, dice Rainer Weiss, un físico del Instituto de tecnología de Massachusetts en Cambridge que fue el diseñador principal de LIGO., Una vez que los números se acumulan, «podemos comenzar a ver todo el universo en agujeros negros», dice. «Cada pieza de la astrofísica sacará algo de eso.»
para aumentar estas observaciones, LIGO y Virgo tienen planes para mejorar su sensibilidad, lo que revelará no solo más eventos, sino también más detalles sobre cada fusión. Entre otras cosas, los físicos están ansiosos por ver las detalladas ondas de ‘anillo’ que emana un agujero negro posterior a la fusión a medida que se asienta en una forma esférica, una observación que podría revelar grietas en la teoría general de la relatividad.,
tener más observatorios repartidos por todo el mundo también será crucial. KAGRA, un detector En construcción bajo tierra en Japón, podría comenzar a recopilar datos a finales de 2019. Su ubicación — y, en particular, su orientación con respecto a las ondas entrantes — complementará las de LIGO y Virgo, y permitirá a los investigadores precisar la polarización de las ondas gravitacionales, que codifica información sobre la orientación del plano orbital y el giro de los objetos en espiral., Y la India está planeando construir otro observatorio en la próxima década, hecho en parte con componentes de repuesto de LIGO.
un tesoro aún mayor de descubrimientos podría provenir de la observación de las fusiones de neutrones y estrellas. Hasta ahora, los investigadores han anunciado solo UNA detección de este tipo, llamada GW170817. Esa señal, vista en agosto pasado, fue casi seguramente el evento más intensamente estudiado en la historia de la astronomía. Y resolvió una serie de misterios de larga data de un solo golpe, incluido el origen del oro y otros elementos pesados en el Universo2, así como la causa de algunas explosiones de rayos γ3.,
Más observaciones podrían permitir a los científicos explorar el interior de estos objetos. Se cree que las estrellas de neutrones son tan densas como la materia puede ser sin colapsar en un agujero negro, pero exactamente cuán densas es una suposición de cualquiera. Ningún experimento de laboratorio puede estudiar esas condiciones, y hay docenas de propuestas para lo que sucede allí. Algunas teorías predicen que los quarks-los componentes subatómicos que componen los protones y neutrones — deberían liberarse unos de otros y vagar, tal vez en Estados superfluidos superconductores., Otros postulan que los quarks más pesados y ‘extraños’ se forman y se convierten en parte de primos exóticos del neutrón.
fijar los radios de las estrellas de neutrones podría permitir a los físicos evaluar las teorías, porque predicen diferentes ‘ecuaciones de estado’ — fórmulas que vinculan la presión, la temperatura y la densidad de la materia. Tales ecuaciones determinan hasta qué punto la materia puede ser comprimida, y así cuán ancha o estrecha será una estrella de neutrones para una masa dada, y cuán masiva pueden llegar a ser dichas estrellas.,
la señal de 100 segundos de duración en agosto finalmente se volvió demasiado alta para que LIGO y Virgo la detectaran, lo que impidió que los observatorios vieran los momentos finales de las dos estrellas de neutrones, cuando deberían haberse deformado entre sí de maneras que habrían revelado su tamaño y dureza, o resistencia a la compresión. Aún así, dice B. S., Sathyaprakash, un físico teórico Ligo de la Universidad Estatal de Pennsylvania En University Park, de ese evento, «podemos descartar ecuaciones de estado que permiten tamaños de estrellas de neutrones mayores de 15 kilómetros de radio», una cifra que es consistente con otras mediciones y favorece la materia ‘más suave’.
las detecciones futuras — y los detectores — darán mucho más detalle. Sathyaprakash dice que el Telescopio Einstein, un posible Observatorio de próxima generación ideado por un equipo en Europa, podría llevar a los físicos mucho más allá de un límite superior., «Queremos ser capaces de fijar el radio al nivel de 100 metros», dice, una precisión que sería asombrosa, dado que estos objetos están a millones de años luz de distancia.
llamadas de sirena
señales similares a GW170817, que se observaron a través de ondas gravitacionales y luz, podrían tener implicaciones dramáticas para la cosmología. Schutz calculó en 1985 que la frecuencia, o el tono, de las ondas de los objetos en espiral, junto con la velocidad a la que aumenta ese tono, revela información sobre la masa colectiva de los objectos4., Eso determina qué tan fuertes deben ser sus olas en la fuente. Midiendo la fuerza de las ondas que llegan a la Tierra – la amplitud de la señal realmente captada por los interferómetros-se puede entonces estimar la distancia que las ondas han viajado desde la fuente. Todas las demás cosas siendo iguales, una fuente que es el doble de lejos, por ejemplo, producirá una señal la mitad de fuerte., Este tipo de señal ha sido apodada una sirena estándar, en un guiño a un método común de medir distancias en cosmología: Las estrellas llamadas velas estándar tienen un brillo bien conocido, que permite a los investigadores calcular su distancia de la Tierra.
mediante el acoplamiento de la medición de distancia de GW170817 con una estimación de lo rápido que las galaxias en esa región se están alejando de la Tierra, Schutz y sus colaboradores hicieron una estimación nueva y completamente independiente de la constante de Hubble — la tasa actual de expansión del Universo (ver ‘señales cósmicas’)., El resultado5, parte de un grupo de artículos publicados por LIGO, Virgo y otros 70 equipos de astronomía el 16 de octubre, «marca el comienzo de una nueva era tanto para la cosmología como para la astrofísica», dice Wendy Freedman, astrónoma de la Universidad de Chicago en Illinois que ha hecho mediciones muy precisas de la constante de Hubble, utilizando técnicas tradicionales, pero menos directas.,
Credit: Nik Spencer / Nature
como medida directa e independiente de esta constante, las sirenas estándar podrían ayudar a resolver un desacuerdo entre cosmólogos. Las técnicas de vanguardia, perfeccionadas durante casi un siglo de trabajo que comenzó con el propio Edwin Hubble, ahora dan estimaciones que difieren en un poco por ciento., Esta primera medición de sirena estándar no resuelve la tensión: la tasa de expansión que predice cae en algún lugar en el medio del rango y, debido a que se basa en un solo evento de fusión, tiene una gran barra de error. Pero en el futuro, los investigadores esperan que las sirenas estándar claven la constante de Hubble con un error de menos del 1%. Hasta ahora, las velas estándar lo han hecho con precisiones de 2-3%.,
Las Sirenas estándar podrían convertirse en Herramientas aún más potentes con interferómetros basados en el espacio, como la antena espacial del interferómetro láser (LISA), un trío de sondas que la Agencia Espacial Europea, que lidera la misión, planea lanzar en la década de 2030. LISA está diseñado para ser sensible a las ondas de baja frecuencia que los observatorios basados en tierra no pueden detectar. Esto le daría acceso a sistemas más masivos, que irradian ondas gravitacionales más fuertes., En principio, LISA podría recoger sirenas de todo el universo y, con la ayuda de telescopios convencionales, medir no solo la tasa actual de expansión cósmica, sino también cómo esa tasa ha evolucionado a través de los eones. Por lo tanto, LISA podría ayudar a abordar el mayor rompecabezas de la cosmología: la naturaleza de la energía oscura, el componente cósmico aún no identificado que está impulsando la expansión del Universo para acelerar.,
mientras que los interferómetros terrestres detectan eventos que son breves y distantes entre sí, se espera que LISA escuche una cacofonía de señales tan pronto como se encienda, incluyendo un coro constante de enanas blancas binarias apretadas-los restos ubicuos de estrellas del tamaño del sol — en nuestra propia galaxia. «Es como si viviéramos en un bosque ruidoso, y tuviéramos que seleccionar los sonidos de aves individuales», dice la astrofísica Monica Colpi de la Universidad de Milán–Bicocca en Italia, que forma parte de un comité que establece los objetivos científicos de la misión.,
ocasionalmente, LISA debería ver fusiones de agujeros negros como las que hace LIGO, pero a una escala mucho mayor. Se cree que la mayoría de las galaxias albergan un agujero negro supermasivo central que pesa millones, o incluso miles de millones, de masas solares. En una escala de miles de millones de años, las galaxias podrían fusionarse varias veces; eventualmente, sus agujeros negros centrales también podrían fusionarse. Estos eventos no son frecuentes para galaxias individuales, pero debido a que hay billones de galaxias en el universo observable, una fusión detectable debería ocurrir en algún lugar al menos unas pocas veces al año., Los científicos también están buscando una forma separada de detectar ondas gravitacionales de pares de estos gigantes en etapas anteriores de sus órbitas. Usando radiotelescopios, monitorean los púlsares dentro de la Vía Láctea y buscan pequeñas variaciones en sus señales, causadas por el paso de ondas gravitacionales a través de la galaxia. Hoy en día, hay tres ‘matrices de sincronización de púlsar’, en Australia, Europa y América del Norte, y una cuarta formación en China.,
gracias a la sensibilidad planificada de LISA, y las fuertes señales producidas por los agujeros negros supermasivos en espiral, el Observatorio debería ser capaz de captar ondas gravitacionales de pares de agujeros negros supermasivos meses antes de que se fusionen, y ver la fusión con suficiente detalle para probar la relatividad general con alta precisión. Después de años de operación, LISA pudo acumular suficientes eventos distantes para que los investigadores reconstruyeran la formación jerárquica de las galaxias — cómo las pequeñas se combinaron para formar otras más y más grandes — en la historia del Universo.,
en el terreno, también, los físicos están comenzando algunas «grandes nuevas empresas», dice Weiss. Un equipo de EE.UU. imagina un explorador cósmico con 40 kilómetros de detección de armas-10 veces más largo que el de LIGO – que sería sensible a las señales de los acontecimientos mucho más lejos, tal vez a través de todo el universo observable.
el concepto para el Telescopio Einstein en Europa requiere un detector con brazos de 10 kilómetros dispuestos en un triángulo equilátero y colocados en túneles a unos 100 metros bajo tierra., Las condiciones de silencio allí podrían ayudar a ampliar el alcance del observatorio, a frecuencias una décima parte de las detectables por las máquinas actuales. Eso podría permitir a los científicos encontrar agujeros negros más allá del rango que se cree que está prohibido por la supernova de inestabilidad de pares; a masas lo suficientemente altas, Las estrellas deberían tener un mecanismo de colapso diferente y ser capaces de formar agujeros negros de 100 masas solares o más.
si los científicos tienen suerte, las ondas gravitacionales podrían incluso permitirles acceder a la física del propio Big Bang, en épocas que no son observables por ningún otro medio., En los primeros instantes del Universo, dos fuerzas fundamentales — la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil — eran indistinguibles. Cuando estas fuerzas se separaron, podrían haber producido ondas gravitacionales que, hoy en día, podrían aparecer como un «silbido Aleatorio» detectable por LISA, dice Schutz. Esta señal hipotética es distinta de una de longitud de onda mucho más larga de la anterior, que podría aparecer en la radiación visible más antigua del universo: el fondo cósmico de microondas., En 2014, un equipo informó6 que había observado este efecto con el telescopio BICEP2 en el Polo Sur, pero los investigadores reconocieron más tarde problemas con esa interpretación7.
con la reapertura de LIGO y Virgo a finales de este año, el próximo gran descubrimiento en la lista de deseos de Weiss es la señal de una estrella colapsando, algo que los astrónomos también podrían observar como un tipo de supernova. Pero tiene grandes esperanzas en lo que podría estar en el horizonte. «Si no vemos algo en lo que no habíamos pensado», dice Weiss. «Me decepcionaría.”
