24.7: Astronomía de Ondas Gravitacionales
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Otra parte de las ideas de Einstein sobre la gravedad se puede probar como una forma de verificar la teoría que subyace a los agujeros negros. Según la relatividad general, la geometría del espacio-tiempo depende de dónde se encuentre la materia. Cualquier reordenamiento de la materia —digamos, de una esfera a una forma de salchicha— crea una perturbación en el espacio-tiempo. Esta perturbación se llama onda gravitacional, y la relatividad predice que debe extenderse hacia afuera a la velocidad de la luz. El gran problema de tratar de estudiar tales ondas es que son tremendamente más débiles que las ondas electromagnéticas y correspondientemente difíciles de detectar.
Prueba de un Pulsar
Hemos tenido evidencia indirecta desde hace algún tiempo de que existen ondas gravitacionales. En 1974, los astrónomos Joseph Taylor y Russell Hulse descubrieron un púlsar (con la designación PSR1913+16) orbitando otra estrella de neutrones. Tirado por la poderosa gravedad de su compañero, el púlsar se mueve a aproximadamente una décima parte de la velocidad de la luz en su órbita.
Según la relatividad general, este sistema de cadáveres estelares debería estar irradiando energía en forma de ondas gravitacionales a una velocidad lo suficientemente alta como para hacer que el púlsar y su compañero se acerquen en espiral. Si esto es correcto, entonces el período orbital debería disminuir (según la tercera ley de Kepler) en una diezmillonésima de segundo por órbita. Continuando las observaciones mostraron que el periodo está disminuyendo precisamente en esta cantidad. Tal pérdida de energía en el sistema puede deberse únicamente a la radiación de las ondas gravitacionales, confirmando así su existencia. Taylor y Hulse compartieron el Premio Nobel de Física 1993 por esta obra.
Observaciones Directas
Si bien una prueba tan indirecta convenció a los físicos de que existen ondas gravitacionales, es aún más satisfactorio detectar las ondas directamente. Lo que necesitamos son fenómenos que sean lo suficientemente potentes como para producir ondas gravitacionales con amplitudes lo suficientemente grandes como para poder medirlas. Los cálculos teóricos sugieren algunos de los eventos más probables que darían una explosión de ondas gravitacionales lo suficientemente fuertes como para que nuestro equipo en la Tierra pudiera medirlo:
- la coalescencia de dos estrellas de neutrones en un sistema binario que se unen en espiral hasta que se fusionan
- la deglución de una estrella de neutrones por un agujero negro
- la coalescencia (fusión) de dos agujeros negros
- la implosión de una estrella realmente masiva para formar una estrella de neutrones o un agujero negro
- el primer “estremecimiento” cuando el espacio y el tiempo llegaron a existir y el universo comenzó
Durante las últimas cuatro décadas, los científicos han estado desarrollando un audaz experimento para tratar de detectar ondas gravitacionales de una fuente de esta lista. El experimento estadounidense, que fue construido con colaboradores del Reino Unido, Alemania, Australia y otros países, se llama LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). LIGO cuenta actualmente con dos estaciones de observación, una en Luisiana y otra en el estado de Washington. Los efectos de las ondas gravitacionales son tan pequeños que la confirmación de su detección requerirá mediciones simultáneas por dos instalaciones ampliamente separadas. Los eventos locales que podrían causar pequeños movimientos dentro de las estaciones de observación e imitar ondas gravitacionales, como pequeños terremotos, mareas oceánicas e incluso tráfico, deberían afectar a los dos sitios de manera diferente.
Cada una de las estaciones LIGO consta de dos tubos de vacío de 4 kilómetros de largo y 1.2 metros de diámetro dispuestos en forma de L. Una masa de prueba con un espejo sobre ella se suspende por alambre en cada uno de los cuatro extremos de las tuberías. La luz láser ultra estable se refleja desde los espejos y viaja de un lado a otro a lo largo de las tuberías de vacío (Figura\(\PageIndex{1}\). Si las ondas gravitacionales pasan a través del instrumento LIGO, entonces, según la teoría de Einstein, las ondas afectarán el espacio-tiempo local; alternativamente, estirarán y encogerán la distancia que la luz láser debe recorrer entre los espejos ligeramente. Cuando un brazo del instrumento se alarga, el otro se acortará, y viceversa.
El reto de este experimento radica en esa frase “siempre tan ligeramente”. De hecho, para detectar una onda gravitacional, el cambio en la distancia al espejo debe medirse con una precisión de una diezmilésima parte del diámetro de un protón. En 1972, Rainer Weiss del MIT escribió un artículo sugiriendo cómo se podría lograr esta tarea aparentemente imposible.
Se tuvo que desarrollar una gran cantidad de nuevas tecnologías, y los trabajos en el laboratorio, con financiamiento de la Fundación Nacional de Ciencias, comenzaron en 1979. Un prototipo a gran escala para demostrar la tecnología fue construido y operado de 2002 a 2010, pero no se esperaba que el prototipo tuviera la sensibilidad requerida para detectar realmente ondas gravitacionales de una fuente astronómica. El LIGO avanzado, construido para ser más precisos con la tecnología mejorada desarrollada en el prototipo, entró en funcionamiento en 2015 y casi inmediatamente detectó ondas gravitacionales.
Lo que encontró LIGO fueron ondas gravitacionales producidas en la fracción final de un segundo de la fusión de dos agujeros negros (Figura\(\PageIndex{2}\)). Los agujeros negros tenían masas de 20 y 36 veces la masa del Sol, y la fusión tuvo lugar hace 1.3 mil millones de años —las ondas gravitacionales ocurrieron tan lejos que les ha llevado tanto tiempo, viajando a la velocidad de la luz, llegar a nosotros.
En el cataclismo de la fusión, aproximadamente tres veces la masa del Sol se convirtió en energía (recordar E = mc 2). Durante la pequeña fracción de segundo para que se llevara a cabo la fusión, este evento produjo poder aproximadamente 10 veces el poder producido por todas las estrellas en todo el universo visible, pero el poder era todo en forma de ondas gravitacionales y por lo tanto era invisible para nuestros instrumentos, excepto para LIGO. El evento se registró en Luisiana unos 7 milisegundos antes de la detección en Washington, la distancia justa dada la velocidad a la que viajan las ondas gravitacionales, e indica que la fuente estaba ubicada en algún lugar del cielo del hemisferio sur. Desafortunadamente, no se espera que la fusión de dos agujeros negros produzca ninguna luz, por lo que esta es la única observación que tenemos del evento.
Esta detección por parte de LIGO (y otra de una fusión de agujero negro diferente unos meses después) abrió una ventana completamente nueva sobre el universo. Uno de los experimentadores comparó el inicio de la astronomía de ondas gravitacionales con la época en que las películas mudas fueron reemplazadas por películas con sonido (comparando la vibración del espacio-tiempo durante el paso de una onda gravitacional con las vibraciones que produce el sonido).
A finales de 2018, LIGO había detectado ocho fusiones más de agujeros negros. Seis de ellos, al igual que el descubrimiento inicial, involucraron fusiones de agujeros negros con un rango de masas que solo han sido observadas por ondas gravitacionales. En una fusión, los agujeros negros con masas de 31 y 25 veces la masa del Sol se fusionaron para formar un agujero negro giratorio con una masa de aproximadamente 53 veces la masa del Sol. Algunos de estos eventos fueron detectados no sólo por los dos detectores LIGO, sino también por un observatorio europeo de ondas gravitacionales recientemente operativo, Virgo. Otro suceso fue causado por la fusión de agujeros negros de 40 y 29 masas solares, y resultó en un agujero negro de 66 masas. Los astrónomos aún no están seguros de cómo se forman los agujeros negros en este rango de masas.
Otras dos fusiones detectadas por LIGO involucraron agujeros negros con masas estelares comparables a las de los agujeros negros en sistemas binarios de rayos X. En un caso, los agujeros negros que se fusionaban tenían masas de 14 y 8 veces la masa del Sol. El otro evento, nuevamente detectado tanto por LIGO como por Virgo, fue producido por una fusión de agujeros negros con masas de 7 y 12 veces la masa del Sol. Ninguna de las fusiones de agujeros negros se detectó de otra manera además de las ondas gravitacionales. Es muy probable que la fusión de agujeros negros no produzca ninguna radiación electromagnética.
A finales de 2017, se utilizaron datos de los tres observatorios de ondas gravitacionales para ubicar la posición en el cielo de un quinto evento, el cual fue producido por la fusión de objetos con masas de 1.1 a 1.6 veces la masa del Sol. Este es el rango de masas para las estrellas de neutrones (ver La Galaxia de la Vía Láctea), por lo que en este caso, lo que se observó fue la espiral conjunta de dos estrellas de neutrones. Los datos obtenidos de los tres observatorios permitieron a los científicos reducir el área en el cielo donde ocurrió el evento. El satélite Fermi ofreció un cuarto conjunto de datos de observación, detectando al mismo tiempo un destello de rayos gamma, lo que confirma la hipótesis de larga data de que las fusiones de estrellas de neutrones son progenitoras de ráfagas cortas de rayos gamma (ver El misterio de las ráfagas de rayos gamma). El satélite Swift también detectó un destello de luz ultravioleta al mismo tiempo, y en la misma parte del cielo. Esta fue la primera vez que se detectó un evento de onda gravitacional con cualquier tipo de onda electromagnética.
Las observaciones combinadas de LIGO, Virgo, Fermi y Swift mostraron que esta fuente estaba ubicada en NGC 4993, una galaxia a una distancia de unos 130 millones de años luz en dirección a la constelación Hidra. Con una posición bien definida, los observatorios terrestres podrían apuntar sus telescopios directamente a la fuente y obtener su espectro. Estas observaciones mostraron que la fusión expulsó material con una masa de alrededor del 6 por ciento de la masa del Sol, y una velocidad de una décima parte de la velocidad de la luz. Este material es rico en elementos pesados, tal como predijo la teoría de los kilonovas (ver Ráfagas de rayos gamma de corta duración: Colliding Stellar Corpses). Las primeras estimaciones sugieren que la fusión produjo alrededor de 200 masas terrestres de oro, y alrededor de 500 masas terrestres de platino. Esto deja claro que las fusiones de estrellas de neutrones son una fuente importante de elementos pesados. Dado que las detecciones adicionales de tales eventos mejoran las estimaciones teóricas de la frecuencia a la que ocurren las fusiones de estrellas de neutrones, bien puede resultar que la gran mayoría de los elementos pesados se hayan creado en tales cataclismos.
Observar la fusión de agujeros negros a través de ondas gravitacionales también significa que ahora podemos probar la teoría general de la relatividad de Einstein donde sus efectos son muy fuertes —cercanos a los agujeros negros— y no débiles, ya que están cerca de la Tierra. Un resultado notable de estas detecciones es que las señales medidas coinciden tan estrechamente con las predicciones teóricas hechas usando la teoría de Einstein. Una vez más, se encuentra que la idea revolucionaria de Einstein es la descripción correcta de la naturaleza.
Debido a la importancia científica de las observaciones de las ondas gravitacionales, tres de los líderes del proyecto LIGO —Rainer Weiss del MIT, y Kip Thorne y Barry Barish de Caltech— recibieron el Premio Nobel en 2017.
Varias instalaciones similares a LIGO y Virgo están en construcción en otros países para contribuir a la astronomía de ondas gravitacionales y ayudarnos a identificar con mayor precisión la ubicación de las señales que detectamos en el cielo. La Agencia Espacial Europea (ESA) está explorando la posibilidad de construir un detector aún más grande para ondas gravitacionales en el espacio. El objetivo es lanzar una instalación llamada ELISA en algún momento a mediados de la década de 2030. El diseño requiere tres brazos detectores, cada uno de un millón de kilómetros de longitud, para que la luz láser viaje en el espacio. Esta instalación podría detectar la fusión de distantes agujeros negros supermasivos, lo que podría haber ocurrido cuando la primera generación de estrellas se formó solo unos cientos de millones de años después del Big Bang.
En diciembre de 2015, ESA lanzó LISA Pathfinder y probó con éxito la tecnología requerida para sostener dos cubos de oro-platino en un estado de descanso perfecto e ingrávido, uno con relación al otro. Si bien LISA Pathfinder no puede detectar ondas gravitacionales, dicha estabilidad es necesaria para que ELISA sea capaz de detectar los pequeños cambios en la longitud de la trayectoria producidos por las ondas gravitacionales que pasan.
Deberíamos terminar reconociendo que las ideas discutidas en este capítulo pueden parecer extrañas y abrumadoras, sobre todo la primera vez que las lees. Las consecuencias de la teoría general de relativamente tardan algunos acostumbrarse. Pero hacen que el universo sea más extraño e interesante de lo que probablemente pensaste antes de tomar este curso.
Conceptos clave y resumen
La relatividad general predice que el reordenamiento de la materia en el espacio debe producir ondas gravitacionales. La existencia de tales ondas se confirmó por primera vez en observaciones de un púlsar en órbita alrededor de otra estrella de neutrones cuyas órbitas se acercaban en espiral y perdían energía en forma de ondas gravitacionales. En 2015, LIGO encontró ondas gravitacionales directamente al detectar la señal producida por la fusión de dos agujeros negros de masa estelar, abriendo una nueva ventana al universo.
Glosario
- onda gravitacional
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una perturbación en la curvatura del espacio-tiempo causada por cambios en la forma en que se distribuye la materia; las ondas gravitacionales se propagan a (o cerca) de la velocidad de la luz