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4 de Noviembre de 2020
Gravitación

Lo que cincuenta sucesos de onda gravitacional nos dicen sobre el universo

Los astrofísicos tienen ahora suficientes fusiones de agujeros negros para determinar su frecuencia a lo largo de la historia del universo.

Representación artística de la fusión de dos estrellas de neutrones [ESO/L. Calçada/M. Kornmesser].

Los astrónomos observaron a lo largo de seis meses de 2019, a un ritmo de más de uno por mes, sucesos cósmicos que emitieron ondas gravitacionales; en total, 39. El botín, descrito en una serie de artículos publicados el 28 de octubre de 2020, demuestra hasta qué punto ha mejorado la sensibilidad de los observatorios que detectan esas perturbaciones (creadas por lo general por la fusión de dos agujeros negros) desde la primera identificación de uno de esos sucesos, en 2015. El creciente conjunto de datos les sirve a los astrónomos para determinar la frecuencia con que se produjeron a lo largo de la historia del universo.

Las ondas gravitacionales son perturbaciones del espaciotiempo generadas por masas que se aceleran. En particular, cuando objetos masivos caen en espiral uno hacia otro y se fusionan. Sus propiedades detalladas ofrecen numerosas comprobaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein; entre ellas, algunos de los indicios más firmes hasta estos momentos de la existencia de los agujeros negros. Y gracias a las ondas gravitacionales, los astrónomos tienen ahora una nueva forma de observar el cosmos, junto a las ondas electromagnéticas y los rayos cósmicos.

<strong>Choques cósmicos.</strong> Las detecciones de ondas gravitacionales han identificado 50 colisiones entre agujeros negros y otros objetos cósmicos del universo lejano. El detector LIGO, en Estados Unidos, logró el 14 de noviembre de 2015 el primer descubrimiento, tras haber sido muy remozado; Virgo, en Italia, se incorporó a la busca en 2017. Otros hitos de las tres primeras tandas de observaciones: el 17 de agosto de 2017 se detectó por primera vez la fusión de dos estrellas de neutrones; el 21 de mayo de 2019, la fusión de agujeros negros más potente detectada; el 14 de agosto de 2019, la colisión con el agujero negro más ligero.

Los últimos datos publicados describen sucesos observados durante la mitad de la tercera tanda de observaciones del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), un par de detectores gemelos en Hanford, Washington, y Livingston, Luisiana, y su análogo europeo, VIRGO, cerca de Pisa. Se trata del segundo catálogo de sucesos de esta colaboración; sigue a la publicada en diciembre de 2018, que describió las primeras once detecciones. En total, la red de observatorios ha captado 50 sucesos de ondas gravitatorias.

En su mayoría, son fusiones de dos agujeros negros. Los detectores  también han captado un puñado de colisiones entre dos estrellas de neutrones y al menos una fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro. Las fusiones en las que participan estrellas de neutrones son especialmente interesantes para los astrofísicos porque se espera que desprendan luz ordinaria a la vez que ondas gravitacionales, como se confirmó en una fusión de estrellas de neutrones vista en agosto de 2017. Solo unos pocos de los sucesos más espectaculares estaban ya descritos en artículos. Entre ellos están la mayor fusión de agujeros negros registrada hasta ahora y la más «sesgada»: los dos agujeros negros que chocaron tenían masas muy diferentes.

Un descubrimiento sorprendente es el de la masa de los agujeros negros de las fusiones. Los astrofísicos esperaban un corte brusco, sin que apareciesen agujeros negros de más de 45 masas solares. «Vemos ahora que no es tan brusco», dice Maya Fishbach, investigadora del LIGO y de la Universidad del Noroeste, en Evanston, Illinois. El catálogo incluye tres sucesos con masas fuera del intervalo previsto, entre ellos uno anunciado en septiembre en el que participó un agujero negro de 85 masas solares.

La abundancia de datos les permite ahora a los investigadores del LIGO y el Virgo a calcular aproximadamente el ritmo al que suceden las fusiones de agujeros negros en una galaxia media. Parece haber alcanzado su máximo hace unos ocho mil millones de años, tras un período de formación de estrellas a un ritmo particularmente vivo, algunas de las cuales se convirtieron en agujeros negros, como explica Fishbach.

El catálogo proporciona también información relativa a la rotación sobre su propio eje de los agujeros negros, que guarda la clave para saber cómo llegaron los objetos a orbitar cada uno alrededor del otro antes de fusionarse. Muestra que en algunos sistemas binarios los dos agujeros negros tienen ejes de rotación que no están alineados; da a entender que se formaron por separado. Pero en muchos otros los ejes de rotación sí lo están más o menos, y eso es lo que los astrofísicos esperan que ocurra cuando los dos agujeros negros empiezan sus vidas como un sistema binario de estrellas. En astrofísica ha habido dos escuelas de pensamiento, cada una de las cuales se inclinaba por una de esas dos situaciones. Ahora parece que ambas estaban en lo cierto, dice Fishbach.

Davide Castelvecchi / Nature News

Artículo traducido y adapatado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «GWTC-2: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo During the First Half of the Third Observing Run», de R. Abbot et al., arXiv: 2010.14527 [gr-qc]; «Population Properties of Compact Objects from the Second LIGO-Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog», de la Colaboración Científica Ligo, la Colaboración Virgo: R. Abbot el al., en arXiv:2010.14533 [astro-ph.HE].

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