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Mensajes desde la cuna que vio nacer a los agujeros negros

Cuando los agujeros negros chocan entre sí, provocan un fenómeno tan violento que su eco es capaz de llegarnos miles de millones de años después a través de ondas gravitacionales. El análisis de estas señales nos permite saber cómo nacieron estos gigantes del cosmos. Dos premios Nobel de Física de este año avanzan a Sinc lo que llegaremos a conocer sobre estos misteriosos cuerpos en los próximos años.

Laura Chaparro | 04 noviembre 2017

Ilustración artística de los agujeros negros cuyas colisiones formaron las ondas gravitacionales detectadas por el observatorio LIGO. / Imagen: LIGO

Si hay un evento violento en el cosmos, de una intensidad tal que su eco es capaz de viajar por el espacio y el tiempo y llegarnos miles de millones de años después, es la fusión de dos agujeros negros. Junto a la energía y la materia oscura, estos gigantes son los elementos más misteriosos del cosmos. Las ondas gravitacionales que hoy somos capaces de captar desde la Tierra –y que predijo Albert Einstein– son producto de ese cataclismo.

Estas mensajeras siderales parecen demostrar la existencia de los agujeros negros, y no solo eso: nos dan información sobre la fusión y sobre lo que ocurrió antes. Gracias a ellas sabemos que a la tormenta cósmica le precedió la calma y que los gigantes del cosmos seguían una danza muy particular.

En un estudio dirigido por la Universidad de Birmingham (Reino Unido) y publicado en la revista Nature, los investigadores han averiguado cómo giraban sobre su propio eje cuatro parejas de agujeros negros. Para ello, han analizado cuatro ondas gravitacionales, tres detectadas en 2015 (GW150914, LVT151012 –que fue una candidata a onda gravitacional– y GW151226) y una en 2017 (GW170104). Una nueva onda registrada el pasado mes de agosto no pudo incluirse en los análisis, porque se observó después de la publicación del estudio.

Los resultados revelan que en los cuatro sistemas binarios analizados, el eje de giro de los agujeros no se orientaba en la misma dirección que el eje de la órbita, por lo que estaban desalineados. Este dato aporta información sobre cómo se formaron.

Existen dos teorías principales. Una implica que ambos agujeros se crearan a partir de parejas de estrellas que nacieron juntas. La otra, que lo hicieran por separado, fruto de estrellas colapsadas. En el primer caso, los giros de los agujeros negros estarían alineados, al contrario que en el segundo caso. Los investigadores apuntan a que los cuatro sistemas analizados se crearon siguiendo la segunda teoría.

“Parecen ser agujeros negros que se han formado por separado, en un cúmulo estelar denso, con muchas estrellas y que después, a lo largo del tiempo, han ido cayendo hacia el centro del cúmulo, donde ambos se han encontrado y se han fusionado”, explica a Sinc Roberto Emparan, investigador del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona y profesor de investigación ICREA.

Las apuestas de los Nobel

Dos de los tres premios Nobel de Física de este año –galardonados por su contribución en la detección de las ondas gravitacionales– comparten con Sinc lo que esperan averiguar de los agujeros negros en los próximos años.

“Aprenderemos mucho: cómo se distribuyen sus masas, cuánto giran sobre su eje o si obedecen realmente a las ecuaciones de Einstein”, enumera Rainer Weiss, profesor emérito del departamento de Física del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).
“También podremos saber cómo se formaron: por el colapso de una estrella, en cúmulos globulares estelares, en las mismas estrellas creadas tras la explosión cósmica en la que empezó todo o, posiblemente, si se crearon antes de la gran explosión, en la que hubieran sido fundamentales”, añade el nobel.

Quienes hayan visto la película Interestellar (2014) recordarán el agujero negro Gargantúa. Para recrearlo de la manera más fiel posible, su director, Christopher Nolan, tuvo como asesor científico al físico Kip S. Thorne, que también fue productor ejecutivo de la cinta.

Thorne ha sido otro de los tres galardonados con el último Nobel de Física. “Las simulaciones por ordenador de las colisiones de agujeros negros han mostrado que este choque crea una especie de tormenta en la estructura del espacio-tiempo, donde la forma del espacio y la velocidad del tiempo oscilan salvajemente y los vórtices del espacio en torsión luchan entre sí. Esta tormenta produce las ondas gravitatorias que hemos observado”, describe el profesor de Física Teórica en el Instituto de Tecnología de California (EEUU).

“La excelente concordancia de las formas de onda predichas y las observadas confirma que esta tormenta realmente ocurrió, como en las simulaciones”, destaca Thorne.

Diez fusiones más

Para obtener conclusiones más sólidas de la formación de estos cuerpos, los autores del estudio de Nature apuntan a que no harán falta muchas más detecciones. Con unas diez adicionales sería suficiente, algo impensable hace solo unos años.

“La estimación tradicional calculaba que harían falta los datos de cientos de fusiones binarias para saber cómo eran los sistemas”, recuerda a Sinc Steinn Sigurðsson, del departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universidad Estatal de Pensilvania (EE UU).

“Este estudio muestra que con técnicas estadísticas más sofisticadas se necesitarán muchos menos eventos; unos diez serían suficientes”, comenta el astrofísico, que analiza el estudio en otro artículo de la revista.

Todas las ondas gravitacionales analizadas fueron detectadas por la colaboración científica LIGO, un observatorio formado por dos detectores ubicados en EE UU. Ambos cuentan con largos interferómetros que, en condiciones de vacío, son capaces de detectar los movimientos de las escurridizas ondas.

El Grupo de Relatividad y Gravitación de la Universitat de les Illes Balears forma parte de LIGO. Uno de sus miembros, Sascha Husa, aplaude las conclusiones del artículo. “Estoy de acuerdo con que con un número adicional de observaciones que no sea muy grande, diez o algo más, vamos a entender mejor cómo se forman los agujeros negros que hemos visto hasta ahora”, afirma a Sinc.

En busca de cuerpos más masivos

Lo que les llama la atención a los expertos es que las cuatro parejas de agujeros negros analizadas parecen haber surgido de la misma manera, de forma separada en cúmulos estelares. “Es sorprendente y habrá que esperar a tener más datos para ver cómo son las demás”, mantiene Emparan.

Dentro de unos doce meses, cuando arranque el tercer ciclo de observaciones de LIGO, al que se ha unido la colaboración científica europea Virgo, obtendremos mucha más información sobre cómo se formaron estos cuerpos.

Los analizados hasta ahora a Husa le parece que son “un poco aburridos”, como comenta entre risas. El astrofísico espera poder detectar en los próximos años agujeros un poco más interesantes, con giros mayores, masas más grandes y más exóticos. Su sueño es descubrir uno que llegue a tener más de cien masas solares, más del triple de los registrados hasta ahora.

“Las observaciones de muchas colisiones de agujeros negros nos darán información estadística que ayudará a los astrofísicos a descubrir cómo se formaron estos objetos sorprendentemente pesados”, sostiene Thorne. Las ondas gravitacionales serán las mejores mensajeras para desvelar estos misterios que viajan por el espacio y el tiempo.

Los nuevos cazadores de ondas

Además de las colaboraciones científicas LIGO-Virgo, en los próximos años nuevos dispositivos detectarán ondas gravitacionales desde la Tierra y el espacio.

-KAGRA. Este detector ubicado en la mina de Kamioka (Japón) está compuesto por dos brazos de tres kilómetros de longitud. “Se basa en la criogenización, temperaturas muy bajas para eliminar vibraciones térmicas y está situado en una mina subterránea para eliminar el ruido sísmico”, resume Emparan. Tras varios retrasos, está previsto que empiece a funcionar en 2018.

-INDIGO. Situado en la India, su diseño será similar al de los detectores LIGO de Estados Unidos, su principal socio. El proyecto ha sido aprobado por el gobierno indio pero, de momento, se desconoce cuándo estará operativo.

-LISA. En torno al 2034, la Agencia Espacial Europea enviará al espacio a la misión LISA, un observatorio de ondas gravitacionales que tratará de captarlas con una gran precisión. Para probar sus herramientas antes, la ESA lanzó en diciembre de 2015 una misión previa, la LISA Pathfinder, que cuenta con participación española.

Zona geográfica: Internacional
Fuente: Agencia SINC
Laura Chaparro es Periodista especializada en información científica. Colaboradora en SINC.

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