Esta es la razón por la que los cataclismos cósmicos con agujeros negros nos ayudan a conocer mejor el universo
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Esta es la razón por la que los cataclismos cósmicos con agujeros negros nos ayudan a conocer mejor el universo

Esta historia comenzó hace mucho tiempo. Muchísimo, en realidad. Y sus protagonistas son dos de los objetos más enigmáticos que podemos encontrar en el universo. En dos galaxias situadas a aproximadamente 900 millones de años luz de distancia de nosotros dos agujeros negros glotones se zamparon dos estrellas de neutrones con las que coqueteaban desde hacía mucho tiempo, y que finalmente fueron incapaces de resistirse a su tirón gravitatorio.

Esta semana hemos conocido que los grupos de investigación que se encargan del análisis de los datos recogidos por los interferómetros LIGO, en Estados Unidos, y Virgo, en Italia, tienen razones muy sólidas para sospechar que sus experimentos han identificado las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos sistemas binarios constituidos por un agujero negro y una estrella de neutrones.

Einstein estaba en lo cierto: las ondas gravitacionales existen y se manifiestan bajo la forma de perturbaciones que se propagan a través del continuo espacio-tiempo a la velocidad de la luz

No es la primera vez que sucede algo así. Los científicos que trabajan en los observatorios LIGO y Virgo identificaron las primeras ondas gravitacionales observadas por el ser humano en septiembre de 2015 (aunque no anunciaron su descubrimiento hasta febrero de 2016). Ese fue el momento en el que descubrieron que, una vez más, Einstein estaba en lo cierto: las ondas gravitacionales existen y se manifiestan bajo la forma de perturbaciones que se propagan a través del continuo espacio-tiempo a la velocidad de la luz.

Desde entonces los investigadores que se dedican al estudio de las ondas gravitacionales han identificado la colisión de los objetos de varios sistemas binarios constituidos bien por dos agujeros negros, bien por dos estrellas de neutrones.

Sin embargo, lo que hace especialmente interesante el descubrimiento que han dado a conocer hace unos días es que esta observación parece describir la fusión de un sistema binario mixto constituido por un agujero negro y una estrella de neutrones. Y es la primera vez que el ser humano es testigo de este fenómeno cósmico.

Ya tenemos la capacidad de observar los eventos más violentos del cosmos

Las perturbaciones introducidas en la curvatura del continuo espacio-tiempo que ya somos capaces de identificar gracias a los interferómetros láser son el resultado del movimiento de los objetos con masa. La razón por la que los protagonistas de las observaciones de estos experimentos son agujeros negros y estrellas de neutrones consiste en que ambos objetos tienen la masa necesaria para desencadenar un evento extraordinariamente energético capaz de hacer vibrar el tejido mismo del universo.

De lo contrario difícilmente seríamos capaces de identificar las ondas gravitacionales que se han originado a una distancia tan colosal como a la que se han producido los dos eventos de fusión que estamos describiendo en este artículo (aproximadamente 900 millones de años luz). Curiosamente, los investigadores han identificado ambos sucesos de una forma casi simultánea.

Las ondas gravitacionales generadas por la fusión del primer par agujero negro-estrella de neutrones fueron recogidas en los observatorios LIGO y Virgo el pasado 5 de enero de 2020. En este evento estuvieron involucrados un agujero negro con una masa equiparable a la de nueve soles como el de nuestro sistema solar y una estrella de neutrones de 1,9 masas solares.

Las ondas gravitacionales del segundo evento fueron identificadas en estos observatorios pocos días después, el 15 de enero del año pasado, y en esta ocasión los objetos que se fusionaron fueron un agujero negro de seis masas solares y una estrella de neutrones de 1,5 masas solares. Ambos son menos masivos que los objetos de la primera fusión, pero, aun así, el evento fue lo suficientemente energético para que hayamos podido detectar sus ondas gravitacionales casi a mil millones de años luz de distancia.

Agujeronegro
La intensidad de la gravedad en el interior de los agujeros negros es tan alta que el continuo espacio-tiempo se deforma, por lo que el tiempo no transcurre de la misma forma para un observador externo situado relativamente cerca del agujero negro, pero más allá del horizonte de sucesos, que para una persona próxima a esta última región.

Como he mencionado unas líneas más arriba, la razón por la que los protagonistas de estos violentos eventos cósmicos son los agujeros negros y las estrellas de neutrones no es otra que su enorme masa. Un dato que refleja muy bien de qué estamos hablando y que no deja de sorprenderme cada vez que me detengo en él es que un fragmento de un centímetro cúbico de una estrella de neutrones pesa aproximadamente, ni más ni menos, mil millones de toneladas. Es asombroso que un pedacito de materia similar a un terrón de azúcar pueda tener un peso tan monstruoso.

Otros objetos en movimiento mucho menos masivos, como, por ejemplo, los planetas, también interaccionan con el continuo espacio-tiempo produciendo ondas gravitacionales, pero por el momento nuestra tecnología no nos permite detectarlas porque carecen de la energía necesaria para que nuestros interferómetros puedan identificarlas, a pesar de lo sofisticados que son. Lo que recogen estos ingenios es, precisamente, la perturbación que estos eventos introducen en la curvatura del espacio-tiempo, y para que puedan hacerlo debe tener una envergadura mínima.

Las ondas gravitacionales son una ventana al universo

La tecnología que el ser humano ha puesto a punto para identificarlas hizo merecedores del premio Nobel de física de 2017 a Rainer Weiss, Kip Thorne y Barry Barish. Albert Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales en 1916 como una consecuencia de su teoría general de la relatividad, y hemos tenido que esperar un siglo para confirmar su existencia. Pero el esfuerzo sin duda ha merecido la pena.

Y es que la razón por la que cada nuevo descubrimiento en el que están involucradas las ondas gravitacionales tiene tanta repercusión consiste en que transportan información muy valiosa acerca del evento que las ha originado. Los investigadores se ven obligados a analizar minuciosamente los datos que recogen los interferómetros de Michelson para poder sacar conclusiones fidedignas, pero, afortunadamente, los resultados acaban llegando y suelen acotar mucho la incertidumbre.

Estrellaneutrones
Un fragmento de un centímetro cúbico de una estrella de neutrones pesa aproximadamente mil millones de toneladas. La materia degenerada que la constituye ya no está formada por protones, neutrones y electrones, como la materia ordinaria.

Todo lo que hemos repasado hasta ahora en este artículo nos invita a hacernos una pregunta: ¿qué conocimiento podemos extraer de las ondas gravitacionales producidas por los grandes cataclismos cósmicos, como la fusión de los agujeros negros y las estrellas de neutrones? Lo primero que están identificando los investigadores es la masa de los objetos que están involucrados en estos procesos. De hecho, este es uno de los datos que les permiten averiguar qué cuerpos han colisionado. Pero este es solo el principio.

Los científicos esperan que las ondas gravitacionales nos proporcionen conocimiento acerca de la estructura de la materia y del tejido del espacio-tiempo

Los científicos que están trabajando con las ondas gravitacionales están convencidos de que gracias a ellas conseguirán conocer mejor el proceso de fusión de los objetos ligados en los sistemas binarios, así como la naturaleza tanto de los agujeros negros como de las estrellas de neutrones. Pero esto no es todo.

También están esperanzados ante la posibilidad de que LIGO, Virgo, KAGRA y otros experimentos similares a estos les permitan inferir nuevo conocimiento acerca tanto de la estructura esencial de la materia como del tejido mismo del continuo espacio-tiempo. Podemos estar seguros de que se avecinan nuevos e interesantísimos descubrimientos que solo serán posibles gracias al análisis de las ondas gravitacionales.

Imágenes | NASA Goddard Space Flight Center | NASA/JPL-Caltech | M. Helfenbein, Yale University / OPAC

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