Antaño, cuando el hombre contemplaba el cielo nocturno, el firmamento debía parecerle como un hermoso decorado en el que muy pocas cosas cambiaban. Pero cuando los científicos comenzaron a investigarlo con otros tipos de luz y sacaron los telescopios al espacio exterior, las nuevas frecuencias revelaron objetos astronómicos hasta entonces invisibles. Teorías y tecnología empezaron a transformar nuestra imagen del universo, mostrándonos que el cosmos no es ninguna balsa de aceite, sino un lugar extremadamente violento en el que se producen explosiones estelares, colisiones de estrellas de neutrones, fusiones de agujeros negros y otros efectos pirotécnicos celestiales un día sí y otro también.
Y si hasta hace unos meses, nuestro conocimiento del universo procedía de las observaciones de diferentes bandas del espectro electromagnético (ultravioleta (UV), infrarrojo, (IR), rayos X y rayos gamma, ondas de radio o microondas), a partir de ahora contamos con un nuevo espectro, las ondas gravitacionales, que dará acceso a fenómenos y objetos astrofísicos que eran invisibles.
Un sistema binario, la estrella de neutrones, a la derecha, arranca gas a su acompañante.
Ondas Gravitacionales: Una Nueva Ventana al Universo
Según la Teoría de la Relatividad General, la energía liberada por una perturbación cósmica viaja alejándose de ella a la velocidad de la luz, en forma de ondas gravitacionales que distorsionan la región del Universo que atraviesan a su paso y traen consigo algunos tipos de información que la radiación electromagnética no puede transmitir. La señal GW150914, observada por LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) el pasado 14 de septiembre, confirmó por primera vez la existencia de los agujeros negros.
«Ha sido una gran sorpresa, nadie se lo esperaba en el periodo de pruebas del aparato», comenta Alicia Sintes, investigadora del Grupo de Relatividad y Gravitación de la UIB y miembro del consejo de LIGO. «Ha sido la primera medida directa de ondas gravitacionales, la primera observación directa de agujeros negros y de su fusión y, además, de agujeros de masas estelares (30 masas solares o más), lo que ha permitido llevar a cabo los primeros test de la relatividad general en campo fuerte».
LAS ONDAS GRAVITACIONALES EXPLICADAS
Estrellas de Neutrones: El Próximo Objetivo
«Casi todo el mundo creía que la colisión de un sistema binario de estrellas de neutrones sería la primera fuente en la que podrían ser detectadas», añade, «ya que, sobre estos objetos no solo existen estudios teóricos sino, también, observacionales y estadísticos, -al menos hay ocho que sabemos que tienen que unirse en un tiempo menor que la edad del universo-; mientras que sobre los agujeros negros existe mucha incertidumbre. Desconocemos cuántos hay, cuál es la probabilidad de qué se produzca un choque, y su masa y, aunque las pruebas predicen la existencia de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias, incluida la nuestra, hasta este descubrimiento no estaba tan claro que hubiera objetos binarios de agujeros negros con más de 30 masas solares». El grupo de Relatividad y Gravitación participa en la Colaboración Científica LIGO y GEO y su trabajo se centra en la búsqueda de ondas gravitacionales procedentes de agujeros negros y estrellas de neutrones, además del modelado computacional necesario para identificar dichas fuentes.
Los agujeros negros ya han sido detectados, pero ¿qué probabilidad existe de 'ver' las estrellas de neutrones? «Cuando Advance Ligo llegue a la sensibilidad de diseño, sobre 2020, tendrá a su alcance unas 100.000 galaxias para la búsqueda de sistemas binarios de estrellas de neutrones», explica Sintes. «Un evento cada 10.000 años, en 100.000 galaxias, sería uno al mes. Y eso es lo que esperamos observar, pero todavía no hemos llegado a esa fase y en este momento solo se alcanzan unas 3.000 galaxias para este tipo de fuentes».
Las estrellas de neutrones son objetos extremadamente densos que pueden tener el tamaño de Menorca y 1. 4 veces la masa de nuestro sol, -un solo trozo de su materia, de alrededor de un centímetro cúbico, pesaría 100 millones de toneladas en la Tierra-. Están compuestas principalmente de neutrones, de ahí su nombre, aunque también presentan otro tipo de partículas y, generalmente, son el remanente estelar de explosiones de supernovas.
Las condiciones límite que se dan en el interior de estas esferas desafían nuestra imaginación y para la física son muy interesantes. «Es un laboratorio natural con las temperaturas más altas que vas a conseguir, los campos magnéticos más fuertes que vas a ver o las densidades más altas posibles», destaca Carlos Palenzuela, investigador Ramón y Cajal de este Grupo. «Las estrellas de neutrones ya las observamos con ondas electromagnéticas, por lo que su detección con las gravitacionales permitiría combinar las señales y obtener mayor información de las fuentes; es lo que se conoce como astronomía de multimensajeros». «La combinación de las ondas gravitacionales con las electromagnéticas y, si están en nuestra galaxia, con los neutrinos, sería como si además de poder ver y oír una película nos echaran un espray con agua cuando hubiera olas», añade.
Simulaciones Numéricas y el Futuro de la Investigación
Uno de los trabajos de este grupo de investigación son las simulaciones numéricas de sistemas astrofísicos violentos emisores de ondas gravitacionales, desarrollando formalismos teóricos que faciliten la posterior interpretación de las señales que puedan detectarse en los interferómetros. Por una parte se analiza cómo pueden reformularse las ecuaciones de la Teoría General de la Relatividad de Einstein para abordar fenómenos generadores de una gravedad fuerte y fenómenos de tipo catastrófico y por otra, se realizan simulaciones para cada uno de los sistemas astrofísicos estudiados con el objeto de identificar a priori el tipo de onda de gravitación que producirían.
«Para realizar un modelo de estos objetos se utilizan diferentes ingredientes; primero se han de resolver las ecuaciones de Einstein para describir bien la gravedad, luego las de hidrodinámica para describir el fluido y, finalmente, se cerraría con la interacción entre los neutrones, esas fuerzas interiores que hay dentro de la estrella, pero como no lo sabemos con exactitud, se toman diferentes ecuaciones de estado basadas en modelos más sencillos y se prueba», aclara Palenzuela, «la idea es que comparando con las observaciones de LIGO podamos ir hacia atrás y ver cuál era el modelo de fuerzas nucleares correcto, ya que del perfil de la onda puedes deducir información».
Otro aspecto de la investigación de este grupo se centra en el estudio de estrellas de neutrones aisladas, que emiten una señal completamente distinta y solo hay posibilidad de observar las de nuestra galaxia. A causa de su extrema gravedad y velocidad de rotación -en un segundo pueden dar mil vueltas sobre sí mismas-, si en sus superficies contienen pequeños altibajos u otras imperfecciones, también pueden emitir ondas gravitacionales. «Incluso la estrella más aburrida, la que solo gira, simplemente que tenga una ligera deformación, un bultito de un milímetro en un radio de 10 kilómetros, ya emite una señal a frecuencia fija», informa Sintes, «pero son extremadamente débiles y como mucho puedes ver las de nuestra galaxia».
Tras los cuatro meses de observación de LIGO los investigadores están analizando este otro tipo de señales porque se necesitan tener todos los datos; la técnica sería parecida a la que se lleva a cabo para conseguir una fotografía del cielo nocturno, se deja la cámara y cuanto más tiempo esté en exposición, más se va a ver. Los resultados parciales de estos análisis los presentarán en breve. «En nuestra galaxia hay más de 2.000 púlsares catalogados», explica Sintes, «por una parte, se intenta seguir a los que ya se conocen y por otra, se busca a ciegas, y esta tarea es una parte de nuestra investigación. «Tanto las estrellas de neutrones aisladas como el colapso de estrellas de neutrones son el próximo objetivo y estoy convencida que aportarán datos muy interesantes. Evidentemente se va a seguir haciendo investigación con agujeros negros; esperamos verlos con cierta frecuencia y extraer cada vez más información.
La Fusión de Estrellas de Neutrones: Un Nuevo Capítulo en la Astrofísica
Un equipo internacional ha anunciado este lunes que ha logrado observar a través de su luz y sus ondas gravitacionales, de manera simultánea, la fusión de dos estrellas de neutrones, lo que abre "el inicio de una nueva era" en la observación del Universo. Estas observaciones, realizadas el pasado 17 de agosto, "sugieren" que las señales localizadas son el resultado de la fusión de dos estrellas de neutrones, un evento llamado kilonovas, cuya existencia se postuló hace 30 años, pero esta es la primera observación confirmada.
| Evento | Fecha de Detección | Observatorios | Significado |
|---|---|---|---|
| GW150914 | 14 de septiembre | LIGO | Primera confirmación de la existencia de agujeros negros |
| Fusión de Estrellas de Neutrones | 17 de agosto | LIGO, Virgo, ESA | Primera observación simultánea de ondas gravitacionales y luz |
Emitidas a unos 130 millones de años luz Se estima que las ondas gravitacionales detectadas en agosto fueron emitidas a unos 130 millones de años luz de distancia, lo que lo convierte tanto el evento de ondas gravitacionales como la explosión de rayos gamma más cercanos detectados hasta ahora. "Hay ocasiones excepcionales en las que, quienes nos dedicamos a la ciencia, tenemos la oportunidad de presenciar el principio de una nueva era", "¡esta es una de ellas!", según las astrónoma del Instituto Nacional de Astrofísica Elena Pian, autora principal de uno de los artículos sobre el tema que publica la revista Nature.
"La ondas gravitacionales sólo pueden ser generadas por los eventos astronómicos más espectaculares, como el choque de dos agujeros negros", explicó Córdova, quien ha añadadido que este descubrimiento es una prueba de lo que el ser humano puede hacer cuando va "más allá" de su conocimiento "en busca de respuestas". Durante el anuncio, el director ejecutivo del LIGO, Dave Reitze,ha explicado que durante el evento se pudo ver la dispersión de oro y platino, lo que sirvió para descubrir que estos elementos "son generados por este tipo de colisiones". "Este antiguo reloj de mi abuelo está compuesto por oro que posiblemente fue creado hace miles de millones de años. ¡Es un descubrimiento asombroso!", ha comentado Reitze.
Para el científico del proyecto Integral de la ESA, Erik Kuulkers, "se trata de un descubrimiento histórico, ya que por primera vez se nos muestra la liberación tanto de ondas gravitacionales como de luz extremadamente energética procedentes de una misma fuente cósmica", según un comunicado.
Stephen Hawking y el Futuro de la Astronomía
El físico británico Stephen Hawking ha celebrado este lunes la primera detección de luz y ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos estrellas de neutrones, un avance que considera "el primer peldaño de una escalera" que promete llevar hacia un nuevo método para medir distancias en el cosmos.
"Una nueva ventana de observación hacia el Universo suele traer sorpresas que no se pueden anticipar. Todavía nos estamos frotando los ojos, o más bien los oídos, porque acabamos de despertarnos con el sonido de las ondas gravitacionales", ha expresado el profesor de la Universidad de Cambridge a la BBC. Al combinar información procedente de ondas gravitacionales y de la luz captada por telescopios, los investigadores han podido aplicar por primera vez una técnica para medir el ritmo de la expansión del Universo que fue propuesta en 1986 por el profesor de la Universidad de Cardiff Bernard Schutz.
"Esto marca el inicio de una era en la astronomía con 'mensajeros múltiples'. Es como ser capaces de ver y oír por primera vez", señaló en un comunicado de la Universidad de Warwick Andrew Levan, que ha colaborado en el análisis de los datos observados. Samantha Oates, de la misma universidad, ha asegurado por su parte que este descubrimiento "responde a tres cuestiones que han intrigado a los astrónomos durante décadas: Qué ocurre cuando se fusionan dos estrellas de neutrones, qué provoca los estallidos de rayos gamma de corta duración y de dónde surgen los elementos pesados como el oro". "Este es un nuevo capítulo en la astrofísica. Esperamos que en los próximos años se detectarán muchos más eventos como este", dijo el físico Danny Steeghs.
Para Cosimo Inserra, de la Universidad de Southampton, "las observaciones ópticas que se han hecho de esta fuente de ondas gravitacionales han revelado un evento astronómico que nunca había sido observado. "La naturaleza nos ha ofrecido su regalo más deslumbrante. Las primeras señales de ondas gravitacionales provenientes de la colisión de estrellas de neutrones son una llave que nos ha permitido desbloquear la puerta hacia la respuesta de diversos misterios", añade por su parte la directora del Instituto de Investigación Gravitacional de la Universidad de Glasgow, Sheila Rowan.