El observatorio LIGO, en EE UU, podrá detectar los efectos de colisiones de agujeros negros.
JAMES GLANZ , Nueva York
( 27-10-99)
Hasta ahora, los astrofísicos habían supuesto que los pares de agujeros
negros son tan poco comunes que sería casi imposible detectarlos. Por
ellos, los científicos de LIGO supusieron que su primera captura de ondas
gravitatorias procedería de acontecimientos menos violentos del cosmos.
Los nuevos cálculos, realizados por Simon F. Portegies Zwart (Universidad
de Boston), y por Stephen L.W. McMillan (Universidad de Drexel), indican
que las fusiones detectables de agujeros negros podrían ser mil veces más
comunes que los acontecimientos en los que el LIGO había puesto su punto
de mira.
Barry Barish, físico del Instituto de Tecnología de California
(Caltech) que dirige el LIGO, comenta que si los cálculos son correctos,
sus consecuencias para los cinco ó seis primeros años de operaciones del
observatorio serán asombrosas. Los detectores del LIGO que funcionarán
durante ese tiempo son mucho menos sensibles que los que vendrán después,
y de los pares de agujeros negros depende el ver ondas gravitatorias o no
verlas en absoluto en esa primera fase.
Si los nuevos cálculos son correctos, las mejoras podrían aumentar el
posterior índice de detección del LIGO desde varios acontecimientos al año
hasta uno o dos diarios, según Stuart Shapiro (Universidad de Illinois).
Premio Nobel
Las ondas gravitatorias, ondulaciones en el tejido del espacio,
llevan décadas burlando a los físicos porque sólo han dado a conocer
indirectamente su presencia. Cuando Joseph Taylor y Russell Hulse, de la
Universidad de Princeton, observaron un par de estrellas de neutrones
atrapadas en una reducida órbita una alrededor de la otra, trabajo por el
que ganaron el Premio Nobel en 1993, formularon la teoría de que ese
sistema debería producir ondas gravitatorias. Las estrellas giratorias de
neutrones, rescoldos superdensos que quedan a veces cuando una estrella
corriente masiva colapsa y hace explosión en forma de supernova, agitan
ligeramente el tejido de cuatro dimensiones de espacio y tiempo que las
rodea. Según la teoría de la relatividad, esa agitación debería enviar una
débil señal de ondas gravitatorias.
Taylor y Hulse no pudieron medir esas ondas directamente. Pero lograron
demostrar que la rotación del sistema de dos estrellas, o binario, se
aceleraba a medida que las estrellas giraban en espiral cada vez más
juntas, exactamente lo que se esperaría si la energía fuese extraída por
ondas gravitatorias.
LIGO, construido por Caltech y el Instituto Tecnológico de
Massachusetts (MIT), está diseñado para medir el ligero estiramiento y
encogimiento del espacio causado por esas turbulencias, pero no será capaz
de recoger una emisión de ondas gravitatorias tan tenue. Sin embargo,
cuando un par de estrellas de neutrones se acercan tanto que chocan y se
funden, la oleada de ondas gravitatorias resultante debería ser detectable
si el impacto ocurre en una de las miles de galaxias que se encuentran a
unos 50 millones de años luz de la Tierra.
Ese proceso depende de estrellas ordinarias que nacen ocasionalmente en
pares, hacen explosión como supernovas y dejan estrellas de neutrones con
una masa de aproximadamente 1,5 veces la del Sol. Los agujeros negros
contienen la masa de 10 o más soles y son aún más exóticos, ya que han
colapsado tras un velo gravitatorio llamado horizonte de
observación del que no puede escapar ni la luz. Las probabilidad de
que se formen pares de agujeros negros como se forman sistemas binarios de
estrellas de neutrones es muy pequeña.
Por eso, McMillan y Portegies Zwart contemplaron la posibilidad de que
los pares de agujeros negros pudieran ser fabricados en el interior de
apretadas agrupaciones de estrellas llamadas cúmulos globulares. Ellos se
dieron cuenta de que, en los cúmulos, que pueden contener millones de
estrellas, los agujeros negros individuales caen al centro debido a su
gran masa. Una vez allí, los agujeros negros se atraen mutuamente
gravitatoriamente y se unen en pares formando sistemas binarios y los
agujeros negros pueden acabar fundiéndose en una colisión espectacular.
Según Barish, como los agujeros negros tienen más masa que las estrellas
de neutrones, se emiten más ondas gravitatorias y los acontecimientos son
más fáciles de ver a grandes distancias.
Los autores del nuevo trabajo hacen hincapié en el hecho de que un
conocimiento imperfecto de los cúmulos y los agujeros negros significa que
sus cálculos tienen un factor de error de alrededor de 10. "Todavía no
tenemos garantías", comenta Kip Thorne, colaborador del LIGO y físico
teórico en Caltech. Pero él cree que los nuevos cálculos indican que
"probablemente veremos un número muy elevado de fusiones de agujeros
negros".
Como las ondas gravitatorias son una predicción crucial de la teoría de
la relatividad, los físicos considerarían su detección como un éxito muy
importante.
Nuevos cálculos indican que densos cúmulos de estrellas que
están dispersos por las galaxias en la vecindad cósmica de la Tierra
actúan como líneas de montaje de pares de agujeros negros que orbitan en
gran proximidad, expulsándolos después al exterior del cúmulo, donde
acaban uniéndose y fundiéndose en uno. El año que viene, si todo va bien,
los científicos serán capaces de dar los primeros pasos en la demostración
de esa teoría con un nuevo instrumento de 350 millones de dólares, un
observatorio de ondas gravitatorias denominado LIGO. El observatorio, que
se inaugura el próximo día 11 y que iniciará en enero la fase de pruebas,
ha sido diseñado para detectar ondas gravitatorias predichas por la
relatividad general de Einstein.
Con el objetivo de
detectar directamente por primera vez ondas gravitatorias, los físicos han
diseñado el LIGO, (siglas en inglés de Observatorio de Ondas Gravitatorias
por Interferómetro Láser) que, en realidad, está formado por dos
estaciones distintas, una en el estado de Luisiana y otra en el de
Washington.
© The New York Times
Las parejas de agujeros negros se formarían, por atracción gravitatoria entre ambos, en los cúmulos de miles de estrellas. Estos sistemas binarios podrían chocar con otros agujeros negros y salir disparados del cúmulo. Durante cientos de millones de años, los agujeros negros emparejados emitirían ondas gravitatorias, perdiendo energía en el proceso. A medida que fueran perdiendo energía, orbitarían cada vez más cerca uno de otro. En última instancia los dos agujeros negros de un sistema binario acabarían fusionándose en una tremenda colisión. Y en el choque emitirían intensas erupciones de ondas gravitatorias que podrían ser detectadas desde la Tierra.
Debido a sus poderosos campos gravitatorios, el espacio-tiempo envuelve los agujeros negros con más fuerza que en ningún otro lugar del universo, según la teoría de la relatividad. "Una onda gravitatoria es un mensajero directo de ese espacio tiempo", afirma Stuart Shapiro.