Detectadas por primera vez las ondas gravitatorias: culpable, un agujero negro binario

La Teoría de la Relatividad General de Einstein, publicada por primera vez hace un siglo, fue descrita por el físico Max Born como «la mayor hazaña del pensamiento humano sobre la Naturaleza». La rueda de prensa ofrecida hoy por el LIGO nos ha presentado dos grandes avances científicos que involucran importantes predicciones de la teoría de Einstein: la primera detección directa de ondas gravitatorias y la primera observación de la colisión y fusión de dos agujeros negros.

Introducción y antecedentes.

Las ondas gravitatorias son ondas en el espacio-tiempo producidas por algunos de los eventos más violentos del cosmos, como lo son las colisiones y fusiones de estrellas masivas compactas. Su existencia fue predicha por Einstein en 1916, cuando demostró que la aceleración de objetos masivos «sacudiría» el espacio-tiempo generando ondas que viajan a la velocidad de la luz a través del Universo, y llevando con ellas información sobre su origen catastrófico, así como pistas muy valiosas de la naturaleza de la propia gravedad.

Figura 1: onda gravitatoria detectada por LIGO. Crédito: LIGO

Los detectores LIGO

LIGO es el mayor observatorio de ondas gravitatorias del mundo y uno de los experimentos de física más sofisticados que se han realizado. Se compone de dos interferómetros láser gigantes situados a miles de kilómetros de distancia, uno en Livingston, Louisiana y otro en Hanford, Washington. LIGO emplea las propiedades físicas de la luz y del espacio en sí mismo para detectar las ondas de gravedad, un concepto presentado por primera vez en la década de 1960. Un conjunto de interferómetros iniciales fue completado en la década del 2000, incluyendo a TAMA300 en Japón, GEO600 en Alemania, LIGO en los Estados Unidos y Virgo en Italia. Las combinaciones de estos detectores permitieron la realización de observaciones conjuntas entre 2002 y 2011, pero no detectaron ninguna fuente de ondas gravitatorias. Después de someterse a mejoras importantes, en el 2015 los detectores de LIGO permitieron observaciones más avanzadas.

Un interferómetro como LIGO consta de dos «brazos» (cada uno de 4 km de largo) en ángulos rectos entre sí, a lo largo de la cual brilla un haz de láser y es reflejado por los espejos (suspendidos como masas de prueba) en cada extremo. Cuando una onda gravitatoria pasa, provoca que los brazos del interferómetro se alarguen y contraigan tomando diferentes longitudes, lo que provoca que los rayos láser tarden diferentes tiempos en recorrer los brazos, lo que significa que los haces ya no están en fase produciendo por lo tanto, un patrón de interferencias. Por ello, llamamos interferómetros a los detectores de LIGO.

La diferencia entre las dos longitudes de los brazos es proporcional a las fuerza de la onda gravitatoria que pasa. Una onda de gravedad típica que se puede detectar posee aproximadamente 1 / 10.000 de la anchura de un protón. LIGO es tan sensible que puede llegar a medir estas cantidades tan diminutas.

Figura 2. Crédito: LIGO

La figura 2 muestra un diagrama simplificado de un detector avanzado LIGO.

Para detectar con éxito un evento de ondas gravitatorias como GW150914, los detectores LIGO necesitan combinar su asombrosa sensibilidad  junto a la capacidad de aislar señales reales o fuentes de ruido como las pequeñas perturbaciones debidas a fenómenos ambientales. Esta es el motivo principal por el que hay dos detectores LIGO Avanzados, ya que nos permiten distinguir las ondas gravitatorias de los efectos instrumentales o ambientales locales: solamente una señal de onda gravitatoria verdadera aparecería en ambos detectores, aunque separados por unas pocas milésimas de segundo, teniendo en cuenta el tiempo que tarda la luz (o una onda gravitatoria) en viajar entre los dos detectores.

El diagrama b de la figura 2 muestra cómo el ruido de los instrumentos en los detectores LIGO dependen de la frecuencia. Podemos ver que el ruido del instrumento es más bajo en el «punto dulce», en torno a unos pocos cientos de herzios, pero aumenta bruscamente tanto en las frecuencias bajas como en las altas. También hay un número de picos estrechos en el que el ruido del instrumento es particularmente grande, por ejemplo debido a la vibración de las fibras que suspenden los espejos y las masas de prueba en cada interferómetro.

Llegar a la mayor sensibilidad de LIGO Avanzado requiere la mejora de casi todos los aspectos de diseño del LIGO original. Estas mejoras incluyen:

-Aumento significativo de la potencia del láser, para reducir la fuente principal de ruido a altas frecuencias.

Figura 3.Crédito: LIGO

La figura 3 presenta los principales resultados de estos análisis detallados, los cuales apuntan a que GW150914 fue producido por la fusión de dos agujeros negros. La parte media de la figura muestra la reconstrucción de la señal de ondas gravitatorias tal y como se ven por el detector de Hanford. Particularmente, hay que tener en cuenta, que el patrón rojo calculado teóricamente para la coalescencia de dos agujeros negros, coincide con el patrón gris detectado.

En la parte superior de la figura se muestran los horizontes de sucesos de los dos agujeros negros aproximándose y cómo se unen entre sí, produciéndose una gran oscilación antes de asentarse. La comparación de los datos de deformación con las predicciones teóricas nos permite comprobar si la relatividad general es capaz de describir completamente el evento. Se pasa esta prueba con nota: todas nuestras observaciones son consistentes con las predicciones de la relatividad general.

También podemos utilizar los datos para estimar las características físicas específicas del sistema que produjo GW150914, incluyendo las masas de sus dos agujeros negros antes de la fusión, la masa del agujero negro tras la fusión, y la distancia del evento.

Nuestros resultados indican que GW150914 fue producido por la fusión de  dos agujeros negros con masas de aproximadamente 36 y 29 veces la masa del Sol, respectivamente, y que el agujero negro, tras la fusión, tenía una masa de alrededor de 62 veces la masa del Sol. Consecuentemente, se deduce que el agujero negro está girando (los agujeros negros en rotación se predijeron teóricamente por primera en 1963 por el matemático Roy Kerr). Finalmente, los resultados indican que GW150914 se produjo a una distancia de más de mil millones de años de luz. Por lo que los detectores LIGO han observado un acontecimiento verdaderamente notable que sucedió hace mucho tiempo en una galaxia muy, muy lejana.

Si comparamos las masas de los agujeros negros pre y post-fusión, vemos que la coalescencia convierte aproximadamente tres veces la masa del Sol en energía de ondas gravitacionales, la mayor parte emitida en una fracción de un segundo. De hecho, el poder de las ondas gravitatorias radiadas por GW150914 fue de más de diez veces mayor que la luminosidad combinada (es decir, la potencia de la luz) de todas las estrellas y galaxias en el universo observable.

¿Cómo sabemos que GW150914 fue una fusión agujero negro?

Las masas previas a la fusión estimadas de los dos componentes en GW150914 refuerzan la idea de que son agujeros negros, sobre todo cuando a este dato se le suma la enorme velocidad y pequeña separación de los componentes, tal y como se muestra en la parte inferior de la figura 3, donde la velocidad se muestra en fracciones de la velocidad de la luz. Del mismo modo, se muestra que su separación es aproximadamente unas pocas veces el tamaño característico de un agujero negro, conocido como radio de Schwarzschild.