Simulación de las ondas gravitacionales emitidas durante el proceso de colisión de dos agujeros negros de masa estelar. [NASA; Bernard J. Kelly/Centro Goddard y Universidad de Maryland en Baltimore County; Chris Henze/Centro Ames; Tim Sandstrom/CSC Government Solutions LLC]
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Ondas gravitacionales
En febrero de 2016, las colaboraciones LIGO y Virgo anunciaron la primera detección directa de ondas gravitacionales. El hito culminaba una carrera experimental de más de cinco décadas y marcaba el nacimiento de una nueva era en la exploración del cosmos. Pero ¿qué son las ondas gravitacionales? ¿Por qué resultan tan difíciles de observar? ¿Cuándo se obtuvieron los primeros indicios de su existencia? ¿Nos permitirán algún día «ver» la gran explosión que dio origen al universo? Este monográfico digital (en PDF) te ofrece una selección de los mejores artículos publicados en Investigación y Ciencia sobre la búsqueda científica y técnica de uno de los fenómenos más elusivos predichos por la teoría de la relatividad de Einstein.
Los agujeros negros de masa estelar son estrellas muertas: el núcleo compacto que queda cuando una estrella muy masiva llega al final de sus días y explota en forma de supernova. Sin embargo, hace décadas que los físicos se preguntan por la existencia de una clase de agujeros negros de origen muy distinto: aquellos formados poco después de la gran explosión, cuando el cosmos era un plasma extremadamente denso de partículas. Bajo tales condiciones, algunas acumulaciones de materia particularmente densas pudieron haber sufrido un proceso de colapso gravitatorio y convertirse en agujeros negros mucho antes de que naciesen las primeras estrellas. ¿Es posible comprobar esta hipótesis?
La existencia de tales agujeros negros, denominados «primordiales», fue propuesta en los años setenta del siglo pasado, pero hasta hoy carece de una respuesta clara. De hecho, algunos trabajos recientes han sugerido que los agujeros negros detectados en los últimos dos años por los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y Virgo podrían ser de ese tipo. Ahora, en un artículo publicado en Physical Review Letters, Savvas Koushiappas y Abraham Loeb, ambos en Harvard, han propuesto cómo usar la próxima generación de observatorios terrestres de ondas gravitacionales para dar respuesta a este interrogante.
De las cinco fusiones de agujeros negros confirmadas hasta ahora por las colaboraciones LIGO y Virgo, la más antigua tuvo lugar hace unos 3000 millones de años (a un desplazamiento al rojo de z=0,2); es decir, cuando el universo tenía unos 11.000 millones de años de edad. Sin embargo, las futuras generaciones de detectores de ondas gravitacionales podrán observar eventos mucho más lejanos, lo que equivale a explorar épocas mucho más tempranas del cosmos. En este contexto, la idea de Koushiappas y Loeb es muy sencilla: si los agujeros negros primordiales no existen, no debería ser posible observar colisiones de dichos objetos en una época anterior a la de la formación de las primeras estrellas.
En concreto, los autores calculan que detectar un promedio de más de una colisión al año con un desplazamiento al rojo de z=40 o mayor (equivalente a un universo de 65 millones de años de edad o menos) implicaría que, o bien se trata de agujeros negros primordiales, o bien la formación de estructuras cósmicas en el universo temprano tuvo que proceder de manera muy distinta a como creen los astrónomos. Según los investigadores, cualquiera de estas dos posibilidades acarrearía consecuencias de primer orden para las teorías vigentes en cosmología.
El trabajo vuelve a dejar patente la cantidad de observaciones hasta ahora impensables que podrán hacerse en un futuro gracias a los telescopios de ondas gravitacionales. En este caso, lo llamativo es la posibilidad de detectar eventos astrofísicos en épocas tan tempranas del cosmos. Al respecto cabe recordar que el agujero negro más antiguo descubierto hasta ahora —anunciado la semana pasada— se encuentra a un desplazamiento al rojo de z=7,5 (correspondiente a un universo de unos 700 millones de años de edad), mientras que la galaxia más remota conocida se halla a z=11,1 (400 millones de años después de la gran explosión). En comparación, los expertos estiman que el futuro Cosmic Explorer, un proyecto de un interferómetro con brazos de 40 kilómetros de longitud, podría detectar fácilmente agujeros negros de masa estelar en el régimen z>10, una época mucho más remota que la accesible mediante de telescopios electromagnéticos.
Ernesto Lozano Tellechea
Más información en Physics.
Referencia: «Maximum redshift of gravitational wave merger events». Savvas M. Koushiappas y Abraham Loeb en Physical Review Letters, vol. 119, art. 221104, 30 de noviembre de 2107. Una versión gratuita del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv.
