El pasado lunes, tras el anuncio de que los instrumentos LIGO y VIRGO habían detectado ondas gravitacionales y ondas electromagnéticas –luz- correspondientes a la fusión de dos estrellas de neutrones, los científicos aseguraban excitados que habíamos entrado en una nueva era, la era de laastronomía multimensajero.
Auguraban que el hecho de que pudiéramos a partir de ahora ser capaces de detectar al menos dos tipos distintos de emisiones provenientes de una misma fuente nos permitiría conocer y estudiar fenómenos del universo en profundidad. Algunos ya detectados con anterioridad y quizás otros que hasta el momento solo se habían podido describir teóricamente. Pero, ¿a qué fenómenos se referían? ¿Qué es esperable que detecten a partir de ahora? Y ¿qué nos pueden enseñar acerca del cosmos?
Hasta el momento, los dos instrumentos LIGO, ubicados en los Estados Unidos, y el europeo VIRGO, en la campiña italiana, han captado tres fusiones de agujeros negros y una fusión de dos estrellas de neutrones. Los tres instrumentos ahora se actualizarán para mejorar enormemente su sensibilidad y cuando vuelvan a entrar en funcionamiento durante la segunda mitad de 2018 permitirán realizar observaciones en hasta ocho veces más volumen de universo.
“Es muy relevante, porque los objetos cercanos en términos cósmicos se podrán ver con más sensibilidad y también podremos ver explosiones más lejanas como la de la fusión de dos estrellas de neutrones con más detalle”, explica a Big Vang José Antonio Font, investigador de la colaboración Virgo de la Universitat de València.
Púlsares, agujeros negros y estrellas de neutrones
“Los astrónomos estamos muy excitados, no solo por el descubrimiento del lunes pasado, sino por la idea de que esto es solo el principio. La época que se avecina es realmente fascinante, histórica, y la estamos viviendo”, afirma Enrique Gaztañaga, cosmólogo investigador del CSIC en el Institut de Ciències de l’Espai (IEEC-CSIC)
Pero, con la actualización de LIGO y de VIRGO, ¿qué se va a poder detectar? Según Font, para empezar, fuentes astrofísicas como binarias de agujeros negros o estrellas de neutrones que hasta ahora no se podían captar porque las ondas gravitacionales eran muy débiles o porque estaban muy lejos.
También otras fuentes hasta ahora no detectadas de ondas gravitacionales, como por ejemplo un sistema binario formado por un agujero negro y una estrella de neutrones. “Este tipo de fuente es un sistema teórico, que por el momento electromagnéticamente no se ha podido observar. Esperamos que en las próximas campañas observacionales se pueda descubrir este sistema”, afirma este investigador de la colaboración Virgo.
Otro sistema importante que se podía observar son explosiones de supernovas que forman estrellas de neutrones. “Es una de las fuentes de ondas gravitacionales más interesantes. El problema es que la duración de la señal gravitacional es muy pequeña, porque el mecanismo –la explosión- es muy rápido, tan solo unos pocos segundos. Además, la energía que se libera en la supernova es más pequeña que en un sistema binario. Es, por tanto, más difícil de detectar, tiene que estar más cerca para poder verla con la sensibilidad de estos detectores”, afirma Font.
Cuando los instrumentos LIGO y VIRGO vuelvan a entrar en funcionamiento en 2018 con las mejoras implementadas, “seremos capaces de detectar supernovas más alejadas”. Estas explosiones son un fenómeno raro en la Vía Láctea, nuestra galaxia, donde se producen una o dos cada siglo. “Eso implica que o esperas más de 100 años para ver una o necesitas más sensibilidad para poder mirar más lejos en el universo y ver galaxias donde detectar supernovas de forma más frecuente”, afirma Font.
Y eso no es todo. Otra de las fuentes que se podrían detectar el próximo año serían estrellas de neutrones en rotación. Estrellas aisladas, solitarias, no formando un sistema binario como en el anuncio del lunes, que giran, formando un pulsar.
Los pulsares fueron descubiertos en 1967 por la astrónoma Jocelyn Bell –aunque el mérito y el Nobel no se lo llevó ella, sino su jefe- y tienen una velocidad de rotación muy rápida. Lo interesante de este objeto astronómico es que si presenta una pequeña desviación en su rotación respecto a la simetría esférica, eso va a hacer que la rotación emita ondas gravitacionales continuas.
“Las que podemos detectar ahora duran muy poquito. Proceden de emisiones muy potentes pero se terminan. En cambio, las asociadas a los púlsares siempre están ahí. En la Vía Láctea se conocen muchos. Si somos capaces de calcular esas ondas gravitacionales continuas de los púlsares, podríamos detectarlas todo el tiempo con nuestros instrumentos. Si ahora no lo hacemos es por un problema técnico: la amplitud de estas ondas es mucho más pequeña que la de las ondas procedentes de colisiones binarias”, arguye Font.
Para poder esas ondas continuas hay que observar la fuente que las emite durante mucho tiempo y también analizar datos almacenados. “Ahora estamos estudiando los datos de las primeras campañas para ver si podemos detectar esas fuentes de ondas continuas. Requiere un tratamiento numérico de meses”, añade este investigador.
Qué vamos a poder aprender de estas detecciones
Estrellas de bosones
Conocer en profundidad las estrellas de neutrones permite entender el comportamiento de la materia en condiciones de densidad extrema. Las estrellas de neutrones son muy compactas y pequeñas, de 20 k de diámetro, con la masa del sol. Analizando las ondas gravitacionales podremos saber de qué están hechas, cómo de comporta la materia a esas densidades, cuál es la termodinámica de esos objetos. “Son preguntas de la física fundamental que llevamos muchos años intentando responder. Tenemos muchos modelos de ecuaciones de estado que describen la materia densa, pero no sabemos cuál es la correcta”, indica Font.
Existen otras formas de materia. Además de los protones y los neutrones, existen partículas como los bosones, que se sabe que existen en la naturaleza, que pueden condensarse y que “podrían formar estrellas, estrellas de bosones”. Por el momento, son una hipótesis teórica pero podríamos detectarlas. “Si detectamos ondas gravitacionales que no se corresponden a las de neutrones, podríamos pensar que en el universo hay objetos más exóticos, como estrellas de bosones o de quarks”, dice Font.
Para Juan García-Bellido, investigador del Instituto de Física Teórica, “además de hacer cosmología, se va a poder conocer la naturaleza de la materia densa en estrellas como las estrellas de neutrones. Cuando se produce una explosión de una supernova deja atrás un remanente, una estrella de neutrones. Sabemos que son un montón de neutrones formando una bola muy densa. Lo que desconocemos es si en su interior hay otros componentes, por ejemplo quarks o caones más pesados. Que podrían formar en el interior un núcleo más duro y que la parte exterior fuera de neutrones. La emisión de ondas gravitacionales contiene información de cómo se comporta la materia en el interior estrella de neutrones. Eso no se podía ver con luz, porque simplemente veíamos la corteza de la estrella, lo que hay en las capas más exteriores, los neutrones. Al ver con ondas gravitacionales podemos intentar entender el interior de las estrellas de neutrones. Y eso permitirá responder preguntas fundamentales de todo físico: cómo se comporta la materia en condiciones muy lejanas a las que podemos experimentar en el laboratorio.
La expansión del universo
A nivel cosmológico, conformo los científicos sean capaces de detectar ondas gravitacionales de fuentes más alejadas, podrán precisar el ritmo de expansión del universo. Enrique Gaztañaga, cosmólogo del ICE (IEEC-CSIC) explica a Big Vang .
“Ahora por primera vez se ha podido medir el ritmo de expansión del universo con un único evento, la fusión de dos estrellas de supernova. Esta explosión ha ocurrido muy cerca, eso tiene la ventaja que permite medir bien el ritmo pero no la aceleración, porque para eso necesitas comparar una medida del ritmo de expansión cercana y otra lejana Si logramos detectar explosiones de este tipo muy alejadas podremos medir con mayor precisión la expansión y resolver de un plumazo cosas que nos está costando mucho encontrar”, afirma este investigador.
“En un futuro próximo de 10 años, cuantos más eventos de estos detectemos, podremos determinar el ritmo de expansión universo mejor. Podremos empezar a hacer cosmología, saber cómo se expande el universo, si el ritmo acelerado es constante o no, resolver el problema de entender la energía oscura”, asegura García-Bellido.
Las nuevas detecciones podrán desvelar los misterios de la energía y la materia oscuras, cuál es su origen, cuáles son los lugares del universo en los que está concentrada esa materia. También arrojarán luz sobre los agujeros negros. Una de las sorpresas proporcionadas por las detecciones hasta el momento es que los agujeros negros descubiertos tienen masas que no se esperaban. “Ahora tenemos un montón de teorías que lo explican, pero como estos objetos son una novedad no acabamos de entender muy bien dónde están y, al no haber señal óptica, no sabemos en qué galaxia están”, reconoce Gaztañaga. Las nuevas detecciones podrían permitir estudiarlos en profundidad.
“Los modelos de agujeros negros colisionando y rotando a la vez son complicados, hay muchas incertidumbres y una gran riqueza de cosas que estudiar. Por ejemplo, se espera que haya un retroceso en estas colisiones, como cuando disparas un arma. Creemos que liberan tanta energía en la colisión que retroceden y ese retroceso se puede medir. Si ocurriera uno de millones de masas solares en el centro galáctico, esto tendría un impacto muy importante en la formación de estrellas y galaxias”, considera Gaztañaga.
“Una de las cosas más espectaculares que ha abierto LIGO es la posibilidad de conocer la naturaleza de la materia oscura. Podría ocurrir que esa materia oscura fueran agujeros negros, del origen del universo, primordiales. Y si eso así, entonces LIGO pronto será capaz de encontrar algunos eventos entre agujeros negros, algunos con masa comparables al de estas estrellas de neutrones o incluso menor, esto sería un hito, descomunal de la física. Querría decir que los agujero negros estaban ahí antes que las estrellas. Y eso nos cambiaría nuestra forma de entender evolución universo”,concluye García-Bellido.
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