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Cuando el espacio tiembla y la Astronomía entra en una nueva era

26/nov/17 7:17 AM
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Panel izquierdo: Representación de la curvatura en el espacio-tiempo (cuadrícula verde) que producen el Sol y la Tierra. Nótese la mayor perturbación producida por la estrella, ya que es más masiva que el planeta./ T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab Panel derecho: Ilustración del patrón de ondas gravitatorias que se propagan en el espacio-tiempo durante el proceso de fusión de dos agujeros negros./ LIGO/T. Pyle /

Teo Muñoz Darias 

Los seres humanos hemos estudiado "las estrellas" desde tiempos inmemoriales. Basta con unos minutos observando el cielo durante una noche clara y en un lugar libre de contaminación lumínica para darse cuenta de que el espectáculo no podía pasar desapercibido a nuestros ancestros. De hecho, se podría decir que la Astronomía ha sido siempre una ciencia cotidiana, a cuyo estudio dedicaron considerables esfuerzos todas las civilizaciones avanzadas.  Con Galileo y el primer telescopio, hace más de 450 años, entramos en la Astronomía moderna. Esta ciencia fue inicialmente accesible mediante la observación de luz visible, la que detectan nuestros ojos, a la que en los siglos XIX y XX se añadieron las ondas infrarrojas y de radio. Más recientemente, con la llegada de la era espacial, hemos tenido acceso a nueva información usando telescopios colocados en satélites artificiales fuera de nuestra atmósfera que nos permiten, por ejemplo, estudiar la luz que nos llega en forma de rayos-X y rayos Gamma. Con todo esto, o mejor dicho, solo con esto, hemos sido capaces de hacernos una buena idea (o eso creemos) de cómo es el Universo que nos rodea, de tal modo que los astrofísicos de hoy en día nos dedicamos a estudiar los infinitos detalles de los planetas, estrellas y galaxias que lo forman. Digo "solo con esto" porque, efectivamente, hasta ahora solo hemos usado una cosa en nuestro estudio: luz, en sus infinitas frecuencias y variedades, pero luz al fin y al cabo. Pues bien, esta era, la de la Astronomía de las ondas electromagnéticas, es historia. Acabamos de entrar, prácticamente de un día para el otro, en la "era de las ondas electromagnéticas y gravitatorias", y la diferencia va mucho más allá de añadir una palabra.

 

Hace ya un siglo, la teoría general de la relatividad nos introdujo al mundo del espacio-tiempo, que está formado por las tres dimensiones espaciales en las que vivimos (ancho, largo y alto)  y el tiempo. Este espacio-tiempo es plano como la superficie de una mesa en ausencia de cuerpos con masa, pero se curva en presencia de estos, explicando de modo muy intuitivo por qué tendemos "a caer" sobre ellos y sentimos "la gravedad" (ver figura) . De este modo, si la masa que crea dicha curvatura se mueve aceleradamente como consecuencia, por ejemplo, de que está rotando alrededor de otro cuerpo, la gravedad que sentiremos oscilará de acuerdo a ese movimiento, según la masa esté más cerca o lejos de nosotros. Son ondas de gravedad (gravitatorias o gravitacionales) y son el resultado de que la curvatura del espacio-tiempo no se reajusta a una velocidad infinita a los cambios en la posición de una masa, sino que esta información viaja a una velocidad muy elevada, pero finita.   

 

Combinando ecuaciones muy simples se puede ver que la gravedad se hace más extrema conforme aumenta la masa de un cuerpo, pero también conforme el volumen en el que está confinada disminuye. Esto sucede, más que en ningún otro lugar del Universo, en los objetos compactos, cuyos integrantes más extremos, las estrellas de neutrones y los agujeros negros, son ya viejos conocidos de esta sección. Es de esperar, por tanto, que cuando dos de estos objetos orbiten alrededor el uno del otro generen intensas ondas gravitatorias (ver figura). Esto hace que pierdan energía, provocando que estén paulatinamente más juntos y se aceleren hasta velocidades más elevadas, hasta que colisionan y forman un único objeto. En los segundos finales de este proceso los cambios en la curvatura del espacio-tiempo son rápidos y de gran amplitud, siguiendo un patrón que depende en gran medida de la masa de los dos objetos. Este "temblor" se propaga rápidamente por el Universo, pero para cuando llega a puntos relativamente alejados, pongamos la Tierra, tras millones de años de viaje, es casi indetectable. Bueno, indetectable a no ser que uno sea capaz de medir cómo la distancia entre dos objetos separados por 1 metro varía en 0,000000000000000000001 metros (10-21) al paso de estas ondas gravitatorias. Pues bien, el experimento LIGO lo hizo por primera vez hace dos años y, comparando el patrón de "temblores" con la teoría, sabemos que la perturbación que detectó fue causada por la fusión de dos agujeros negros, cuyas masas además somos capaces de medir. Todo esto sin "ver" absolutamente nada; sin recibir un mísero fotón de luz.  Yo creo que el premio Nobel que los desarrolladores de LIGO acaban de recibir es más que merecido. LIGO ha detectado ya al menos cinco de estos eventos, a los que hay que añadir un sexto en el que los dos objetos involucrados son estrellas de neutrones. Estas, al contrario que los agujeros negros, están compuestas de materia relativamente convencional y su gravedad permite todavía la salida de luz, que puede ser detectada por nuestros telescopios. No hubo que esperar mucho, 2 segundos para ser exactos, para que esta fuera la primera fuente detectada tanto en ondas gravitatorias como en electromagnéticas.

 

Aparte del tremendo éxito que representan en sí mismo las detecciones y la validación de la teoría, la combinación de información gravitatoria y electromagnética tiene un potencial enorme, que quizás no somos capaces ni siquiera de imaginar todavía. Solo en estos dos años hemos aprendido, por ejemplo, que en el Universo hay muchos sistemas binarios formados por dos agujeros negros, cuyas masas, y posiblemente origen, son en muchos casos diferentes en comparación con las de los agujeros negros descubiertos hasta ahora en nuestra galaxia usando telescopios convencionales (luz). También hemos confirmado que cuando dos estrellas de neutrones chocan producen las llamadas kilonovas, explosiones muy energéticas y ricas en neutrones, donde creemos que se forman muchos de los elementos pesados de la tabla periódica; sirva como ejemplo el 95% del oro y el 80% de la plata que existe en el Universo. Así que si tienes un anillo de estos materiales, ya sabes de dónde ha salido. Es polvo de estrellas...de neutrones.  Lo dicho, esto es solo el principio.

 

 

Teo Muñoz Darias (https://teomunozdarias.wordpress.com/) nació en La Gomera y creció en La Rioja, Navarra y Tenerife. Tras obtener el título de Doctor en Astrofísica por la Universidad de La Laguna, se marchó a Italia para trabajar como investigador postdoctoral en el Observatorio de Brera. A esta experiencia siguieron sendas estancias postdoctorales Marie Curie en Reino Unido, en las Universidades de Southampton y Oxford. Siempre dedicado al estudio de los agujeros negros,  actualmente es investigador Ramón y Cajal en el Instituto de Astrofísica de Canarias.

 

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