Investigadores han anunciado la tercera detección de ondas gravitacionales: ondulaciones en el tejido del espacio y el tiempo.
Albert Einstein predijo las ondas gravitacionales como parte de su teoría de la relatividad general hace más de 100 años, pero los astrofísicos han tardado más de 50 años de ensayo y error en encontrar pruebas directas que respalden su teoría.
El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) realizó la detección el 4 de enero de 2017. Las ondas gravitacionales atraviesan la Tierra y los detectores de LIGO, extremadamente sensibles, pueden «oírlas».
Escuche los «chirridos» de las ondas gravitacionales en este episodio de pódcast:
El esperado triunfo de la primera observación directa de ondas gravitacionales, en septiembre de 2015, completó la visión de Einstein de un universo en el que el espacio y el tiempo están entrelazados y son dinámicos.
«Es extraordinario que los seres humanos puedan construir una explicación y ponerla a prueba para acontecimientos tan extraños y extremos, que tuvieron lugar hace miles de millones de años y a miles de millones de años luz de nosotros».
Esta tercera y más reciente detección apunta a la fusión de agujeros negros situados al doble de distancia de la Tierra que las dos parejas anteriores: a unos 3.000 millones de años luz. Esta vez, los dos agujeros negros tenían tamaños distintos; uno era considerablemente más ligero que el otro. Se fusionaron para formar un agujero negro cuyo tamaño se sitúa entre los de los agujeros negros resultantes de las otras dos fusiones.
«El puñado de detecciones que hemos realizado hasta ahora está revelando una intrigante población de agujeros negros cuya existencia desconocíamos», afirma Vicky Kalogera, astrofísica sénior de la Colaboración Científica LIGO (LSC), que lleva a cabo investigaciones relacionadas con los dos detectores LIGO, situados en Estados Unidos. También dirige el centro de astrofísica CIERA de la Universidad Northwestern y es profesora de física y astronomía.
«Ahora tenemos tres parejas de agujeros negros, cada una de las cuales pone fin a su danza en espiral mortal tras millones o miles de millones de años, en algunas de las explosiones más potentes del universo. En astronomía, decimos que con tres objetos del mismo tipo se tiene una clase. Tenemos una población y podemos analizarla».
«Una vez más, los agujeros negros son masivos», afirma Shane L. Larson, profesor asociado investigador de física y astronomía en Northwestern y astrónomo del Planetario Adler de Chicago.
«Los primeros agujeros negros que detectó LIGO tenían el doble de masa de lo que jamás habríamos esperado. Ahora todos estamos dándole vueltas a las innumerables e interesantes formas en que podemos imaginar que el universo produce agujeros negros grandes y masivos».
La tercera detección es el tema de un nuevo artículo aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters.
«Con la tercera detección confirmada de ondas gravitacionales procedentes de la colisión de dos agujeros negros, LIGO se está consolidando como un potente observatorio capaz de revelar el lado oscuro del universo», afirma David Reitze, de Caltech, director ejecutivo del Laboratorio LIGO. «Aunque LIGO está especialmente preparado para observar este tipo de acontecimientos, esperamos detectar pronto otros fenómenos astrofísicos, como la violenta colisión de dos estrellas de neutrones».
Esta proyección tridimensional de la galaxia Vía Láctea sobre un globo transparente muestra las ubicaciones probables de los tres eventos confirmados de fusión de agujeros negros detectados por LIGO: GW150914 (azul), GW151226 (naranja) y la detección más reciente, GW170104 (magenta); también muestra una cuarta detección posible, con menor significación (LVT151012, verde). El contorno exterior de cada una representa la región de confianza del 90 %; el contorno más interno indica la región de confianza del 10 %.
Aproximadamente 50 veces la masa de nuestro Sol
El último hallazgo refuerza la hipótesis de que existe una nueva clase de parejas de agujeros negros, o agujeros negros binarios, con masas mayores de lo que los investigadores consideraban posible antes de LIGO.
«Como ocurrió con las dos primeras detecciones, las ondas detectadas en nuestro nuevo artículo se generaron cuando dos agujeros negros se fusionaron para formar uno de mayor tamaño. En la fusión más reciente, el agujero negro resultante tenía unas 50 veces la masa de nuestro Sol», explica la coautora Ling Sun, estudiante de doctorado en la Escuela de Física de la Universidad de Melbourne y miembro del Centro de Excelencia para las Ondas Gravitacionales del Consejo Australiano de Investigación (OzGrav).
Esto cubre una brecha entre las masas de los dos agujeros negros fusionados que LIGO había detectado anteriormente: tenían 62 masas solares (primera detección) y 21 masas solares (segunda detección).
«Tenemos una confirmación más de la existencia de agujeros negros con más de 20 masas solares, objetos cuya existencia desconocíamos antes de que LIGO los detectara», afirma David Shoemaker, del MIT y portavoz de la LSC. «Es extraordinario que los seres humanos puedan construir una explicación y ponerla a prueba para acontecimientos tan extraños y extremos, que tuvieron lugar hace miles de millones de años y a miles de millones de años luz de nosotros».
Colisiones potentes
La nueva detección, denominada GW170104, se produjo durante la actual campaña de observación de LIGO, que comenzó el 30 de noviembre de 2016 y continuará durante el verano. Los dos detectores, uno en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Luisiana, realizan las observaciones de LIGO.
¿Detectó materia oscura el detector de ondas gravitacionales?
LIGO realizó la primera detección de ondas gravitacionales en septiembre de 2015, durante su primera campaña de observación tras importantes mejoras dentro de un programa llamado Advanced LIGO. La segunda detección tuvo lugar en diciembre de 2015. (Los detectores de LIGO estuvieron fuera de servicio durante casi un año, de enero a noviembre de 2016).
En los tres casos, cada uno de los dos detectores de LIGO detectó ondas gravitacionales procedentes de fusiones de parejas de agujeros negros de enorme energía: colisiones que, en el instante previo a la fusión de los agujeros negros, producen más energía que la que emiten como luz todas las estrellas y galaxias del universo en un momento dado.
La detección más reciente es la más lejana hasta la fecha: los agujeros negros se encuentran a unos 3.000 millones de años luz. (Los agujeros negros de la primera y la segunda detección están a 1.300 y 1.400 millones de años luz, respectivamente).
Dos teorías
Hay dos modelos principales que explican cómo pueden formarse parejas de agujeros negros binarios.
Según uno de los modelos, los agujeros negros se juntan más adelante, dentro de cúmulos estelares densamente poblados. Se emparejan después de hundirse hasta el centro de un cúmulo estelar. En este escenario, pueden girar en cualquier dirección respecto a su movimiento orbital.
«Esta es la primera vez que tenemos pruebas de que los agujeros negros podrían no estar alineados, lo que nos da apenas un pequeño indicio de que los agujeros negros binarios podrían formarse en cúmulos estelares densos», comenta B. P. Sathyaprakash, profesor de física, astronomía y astrofísica en Penn State y codirector del artículo.
El otro modelo propone que los agujeros negros nacen en el mismo sistema binario: se forman cuando explota cada estrella de una pareja y, como las estrellas originales giraban alineadas, los agujeros negros siguen estando mayormente alineados, aunque no a la perfección.
GW170104 sugiere que el giro de al menos uno de los dos agujeros negros podría estar desalineado con respecto a la órbita binaria, lo que favorece ligeramente la teoría de formación en cúmulos estelares densos.
El Laboratorio LIGO recibe financiación de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y está dirigido por Caltech y el MIT, instituciones que concibieron y construyeron el observatorio. La NSF fue la principal fuente de apoyo financiero del proyecto Advanced LIGO, al que también aportaron importantes fondos organizaciones de Alemania (MPG), el Reino Unido (STFC) y Australia (ARC).
Más de 1.000 científicos e ingenieros de todo el mundo participan en este esfuerzo a través de la Colaboración Científica LIGO, que incluye la Colaboración GEO. LIGO colabora con Virgo, que cuenta con el apoyo del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) y Nikhef, así como de la institución anfitriona de Virgo, el Observatorio Gravitacional Europeo, un consorcio que incluye a otros 280 científicos de toda Europa. Hay disponible una lista de colaboradores adicionales aquí.
