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. Mucho, en realidad. Y sus protagonistas son dos de los objetos más enigmáticos que podemos encontrar en el universo. En dos galaxias ubicadas aproximadamente 900 millones de años luz Lejos de nosotros, dos agujeros negros glotones devoraron dos estrellas de neutrones con las que habían estado coqueteando durante mucho tiempo y que finalmente fueron incapaces de resistir su atracción gravitacional.

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

Einstein tenía razón: las ondas gravitacionales existen y se manifiestan en forma de perturbaciones que se propagan a través del continuo espacio-tiempo a la velocidad de la luz.

Esta 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 humanos en septiembre de 2015 (aunque no anunciaron su descubrimiento hasta febrero de 2016). Ese fue el momento en que descubrieron que, una vez más, Einstein tenía razón: las ondas gravitacionales existen y se manifiestan en forma de propagación de disturbios a través del continuo espacio-tiempo a la velocidad de la luz.

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

Sin embargo, lo que hace especialmente interesante el descubrimiento dado a conocer hace unos días es que esta observación parece describir la fusión de un sistema binario mixto compuesto por un agujero negro y una estrella de neutrones. Y es la primera vez que el ser humano ha sido 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 podemos identificar gracias a los interferómetros láser son el resultado del movimiento de objetos con masa. La razón por la que los protagonistas de las observaciones de estos experimentos son los agujeros negros y las estrellas de neutrones es que ambos objetos tienen la masa necesaria para disparar un evento extraordinariamente enérgico capaz de hacer vibrar el tejido mismo del universo.

De lo contrario, difícilmente podríamos identificar las ondas gravitacionales que se han originado a una distancia tan colosal como los dos eventos de fusión que describimos en este artículo (aproximadamente 900 millones de años luz). Curiosamente, los investigadores han identificado ambos eventos en un casi simultáneo.

Las ondas gravitacionales generadas por la fusión del primer par de estrellas de neutrones y agujero negro se recogieron en los observatorios LIGO y Virgo el 5 de enero de 2020. Un agujero negro con una masa comparable 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 unos días después, el 15 de enero del año pasado, y esta vez los objetos que se fusionaron fueron un agujero negro de seis masas solares y una estrella de neutrones de 1.5 masas. solar. Ambos son menos masivos que los objetos de la primera fusión, pero aun así, el evento fue lo suficientemente enérgico como para que pudiéramos haber detectado sus ondas gravitacionales casi a mil millones de años luz de distancia.

Calabozo

La intensidad de la gravedad dentro de los agujeros negros es tan alta que el continuo espacio-tiempo se deforma, por lo que el tiempo no pasa de la misma manera para un observador externo ubicado relativamente cerca del agujero negro, sino más allá de él. horizonte de sucesos, que para una persona cercana a esta última región.

Como mencioné 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 hecho que refleja muy bien de lo que 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 sorprendente que un trozo de materia similar a un terrón de azúcar pueda tener un peso tan monstruoso.

Otros objetos en movimiento mucho menos masivos, como los planetas, también interactúan con el continuo espacio-tiempo produciendo ondas gravitacionales, pero de momento nuestra tecnología no nos permite detectarlos porque carecen de la energía necesaria para que nuestros interferómetros los identifiquen. , a pesar de lo sofisticados que sean. Lo que recogen estos dispositivos 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 los humanos han desarrollado para identificarlos le valió a Rainer Weiss, Kip Thorne y Barry Barish el Premio Nobel de Física 2017. Albert Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales en 1916 como consecuencia de su teoría general de la relatividad, y hemos tenido que esperar un siglo para confirmar su existencia. Pero el esfuerzo ciertamente ha valido la pena.

¿Qué tienen de especial los muones para estar en el centro de atención de muchos físicos de todo el mundo?

Y la razón por la que cada nuevo descubrimiento en el que intervienen las ondas gravitacionales tiene tal impacto es que llevan información muy valiosa. sobre el evento que los originó. Los investigadores se ven obligados a analizar con detenimiento los datos recogidos por los interferómetros de Michelson para sacar conclusiones fiables, pero, afortunadamente, los resultados acaban llegando y tienden a limitar mucho la incertidumbre.

Starneutrones

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 revisado hasta ahora en este artículo invita a plantearnos una pregunta: ¿qué conocimiento podemos extraer de las ondas gravitacionales producidas por los grandes cataclismos cósmicos, como la fusión de agujeros negros y 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 permite saber qué cuerpos han chocado. Pero esto es sólo el comienzo.

Los científicos esperan que las ondas gravitacionales nos proporcionen conocimientos sobre la estructura de la materia y el tejido del espacio-tiempo.

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

También tienen la esperanza de que LIGO, Virgo, KAGRA y otros experimentos similares a estos les permitan inferir nuevos conocimientos sobre ambos la estructura esencial de la materia como del tejido mismo del continuo espacio-tiempo. Podemos estar seguros de que se avecinan nuevos y emocionantes descubrimientos que solo serán posibles gracias al análisis de ondas gravitacionales.

Imágenes | Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA | NASA / JPL-Caltech | M. Helfenbein, Universidad de Yale / OPAC

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