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Se multiplican los descubrimientos de ondas gravitacionales

Se multiplican los descubrimientos de ondas gravitacionales


El astrnomo Rafael Bachiller nos descubre en esta serie los fenmenos ms espectaculares del Cosmos. Temas de palpitante investigacin, aventuras astronmicas y novedades cientficas sobre el Universo analizadas en profundidad.

Desde que se descubri la primera colisin de agujeros negros hace cinco aos, el nmero de detecciones de ondas gravitacionales no ha parado de crecer. Se acaba de publicar un catlogo que contiene cincuenta de estos eventos que corresponden a colisiones entre agujeros negros o estrellas de neutrones. Ha llegado el momento de hacer balance de los resultados.

Revolucin gravitacional

Con la primera deteccin de ondas gravitacionales, que tuvo lugar el 14 de septiembre de 2015, se inici una autntica revolucin en el mundo de la astronoma. Estas pequeas perturbaciones ondulatorias del espacio-tiempo, predichas por Einstein hace ms de un siglo, se haban estado buscando durante dcadas, pero el xito no lleg hasta que el observatorio LIGO fue equipado con las prestaciones que lo dotaron de una sensibilidad suficiente (lo que se llam el ‘Advanced LIGO’). Gracias a esta observacin, que corresponda a la colisin de dos agujeros negros situados a 1.300 millones de aos luz de la Tierra, los investigadores Barish, Thorne y Weiss recibieron el Premio Nobel de Fsica de 2017.

LIGO consta de dos estaciones emplazadas en los estados de Washington y Luisana (EEUU). Junto con estas, pronto empez a trabajar el observatorio europeo VIRGO en Italia. Durante los aos 2016-2018, se realiz una segunda tanda de observaciones que condujo a la deteccin de otras nueve colisiones de parejas de agujeros negros. Adems, en el ao 2017, se consigui detectar la colisin algo menos energtica entre dos estrellas de neutrones (el evento GW170817), un fenmeno que tambin produjo una potente emisin luminosa que pudo ser observada desde muchos telescopios, desde tierra y desde el espacio.

Tercera tanda

En el ao 2018 tanto LIGO como VIRGO fueron sometidos a grandes mejoras. Se increment la potencia de los lseres que forman los interfermetros, se sustituyeron algunos de los espejos hiperprecisos de los sistemas pticos y se redujo el ruido cuntico de los detectores. Se consigui as aumentar la sensibilidad de LIGO en un 40% y duplicar la de VIRGO.

Con esta sensibilidad tan sumamente mejorada, el 1 de abril de 2019 comenz la tercera tanda (O3) de observaciones de ondas gravitacionales. Los resultados globales de la primera parte de esta tanda (denominada O3a), que termin en octubre de 2019, acaban de anunciarse ahora mediante la publicacin de un catlogo en el que se aaden 39 eventos a los 11 previamente conocidos.

Distribuci
Distribucin de masas de objetos Distribucin de masas de objetos compactos detectados hasta la fechaLIGO-VIRGO/F. Elavsky, A. Geller/Northwestern

Es decir, este catlogo contiene un total de 50 detecciones de ondas gravitacionales. Cada una de ellas equivale al descubrimiento de una colisin de un par de agujeros negros, o un par de estrellas de neutrones, o la colisin mixta de un agujero negro con una estrella de neutrones. Los datos obtenidos durante la serie O3 son de mucha mejor calidad que los previos y el uso combinado de LIGO con VIRGO permite una mejor triangulacin para localizar los eventos en el firmamento.

Colisiones de todo tipo

Varios de estos fenmenos catalogados ya merecieron titulares de los medios de comunicacin. Por ejemplo, cuando se detect una colisin (GW190814) de una pareja de astros compactos que tenan masas muy diferentes: un agujero negro de 23 masas solares y un objeto de 2,6 masas solares que podra ser bien una estrella de neutrones muy masiva o bien un agujero negro particularmente ligero.

En la figura aqu adjunta, cada colisin descubierta se representa mediante tres puntos: el punto ms alto corresponde a la masa del objeto resultante que est conectado por dos lneas a otros dos puntos correspondientes a los objetos progenitores. Tambin se representan (sin estar unidos por trazos) otros objetos compactos conocidos previamente a las observaciones de LIGO y VIRGO (puntos morados y amarillos).

La colisin ms cercana se observ a una distancia de 500 millones de aos luz, mientras que la ms lejana sucedi en los lmites del universo conocido (las ondas viajaron durante 7.000 millones de aos antes de alcanzar los detectores).

Brechas de masas

Como vemos en la ilustracin adjunta, el catlogo se refiere a colisiones entre objetos de masa similar a la solar hasta agujeros negros de unas 90 masas solares. Un resultado interesante que se observa en la figura es que existe un vaco en el intervalo de masas para objetos de entre 2,5 y 5 masas solares. Esto corresponde a las masas comprendidas entre las de las estrellas de neutrones ms masivas y los agujeros negros ms ligeros.

Pero uno de los mayores hallazgos del catlogo es que hay bastantes agujeros negros involucrados en las colisiones que son muy masivos, de ms de unas 40 masas solares. La abundancia de tales agujeros masivos constituye un autntico misterio, veamos porqu.

Cuando una estrella muy masiva llega al final de su vida, quemando el carbono de su ncleo, tiene dos posibilidades. Si la masa estelar supera las 250 masas solares, colapsa de manera irremediable, a pesar de las explosiones que se produzcan, y forma un agujero negro que tendr una masa final de unas 150 masas solares. Algo parecido sucede con estrellas de hasta 130 masas solares que mueren dejando un agujero negro de hasta 50 masas solares. Pero si la estrella tiene una masa de entre 130 y 250 masas solares, la fusin nuclear puede ir creando explosiones que impidan el colapso y destruyan la estrella completamente (mediante la creacin de una supernova de inestabilidad de pares) sin dejar ningn rastro. Por eso, la teora predice encontrar un vaco de agujeros negros entre 50 y 150 masas solares, aproximadamente. Pero, como vemos en la figura, no es eso lo que se observa.

Podra ser que todos esos agujeros negros observados con masas mayores de 40 (y hasta 90) masas solares del catlogo fuesen, a su vez, el resultado de la fusin de otros objetos de masas menores. Pero tambin hay otras posibilidades que se estn considerando para explicar este misterio.

Ms datos a punto de llegar

La estadstica que puede realizarse con los 50 eventos contenidos en el catlogo actual ya arroja resultados muy interesantes, pero claramente sera preferible tener ms datos. La segunda parte de la tanda de observaciones O3 se desarroll desde noviembre de 2019 hasta que se desencaden la pandemia en marzo pasado. Durante ese tiempo, los observatorios LIGO-Virgo lanzaron alertas con dos docenas de detecciones nuevas, pero se necesitan an varios meses para analizar estos datos completamente, ampliar el catlogo, y realizar los consecuentes anlisis estadsticos.

Vemos, en todo caso, cmo la observacin de ondas gravitacionales est abriendo un campo totalmente nuevo de estudio en la astrofsica y nos abre una nueva ventana sobre el universo.

La publicacin del nuevo catlogo LIGO-VIRGO ha sido realizada en tres artculos recientes cuyos manuscritos pueden consultarse aqu, aqu y aqu .

Rafael Bachiller es director del Observatorio Astronmico Nacional (Instituto Geogrfico Nacional) y acadmico de la Real Academia de Doctores de Espaa.

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