Ondas gravitacionales: el canto silencioso de los agujeros negros

Los agujeros negros bailan y, cuando lo hacen, lo hacen por parejas. Esta es la norma en el universo: la mayoría de las estrellas evolucionan en los llamados sistemas binarios, formados por dos objetos que orbitan entre sí.

No solo bailan, sino que mientras bailan los agujeros negros también cantan. Este canto tan inusual no adopta la forma de sonido, luz u otras ondas electromagnéticas. No obstante, es una radiación con sus ritmos, tonos y armónicos, incluso su melodía y sus diferentes voces…

Un canto, codificado en las llamadas ondas gravitacionales, que permite identificar los detalles más finos de los agujeros negros que le corresponden y de su danza orbital: a la manera de un ornitólogo que reconoce sus especies y características en el canto de los pájaros, los astrofísicos extraen de las ondas gravitacionales las propiedades de cada uno de los agujeros negros y de sus órbitas.

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Perturbación en la curvatura del espacio-tiempo

La existencia de estas ondas, extremadamente difíciles de detectar, fue predicha por Albert Einstein en 1916, justo después de su formulación de la relatividad general, que es la descripción teórica que utilizamos hoy para explicar la gravedad. Esta teoría explica los fenómenos gravitacionales en términos de lo que se conoce como “curvatura del espacio-tiempo”.

Las ondas emitidas por los agujeros negros binarios, de naturaleza gravitatoria, son entonces perturbaciones de esta curvatura del espacio-tiempo que se propagan. Es similar a las olas en un estanque, que son perturbaciones de la superficie del agua al propagarse.

El 14 de septiembre de 2015, la antena gravitacional Ligo detectó directamente estas ondas por primera vez. Desde entonces, se han producido unas 50 detecciones, iniciando una nueva etapa en el estudio del Universo: la astronomía de ondas gravitacionales.

Similar a las mareas

Pero describir estas ondas como perturbaciones de la curvatura del espacio-tiempo es bastante críptico. Un enfoque más intuitivo utiliza la noción más familiar de las mareas, es decir, la subida y bajada de los océanos dos veces al día.

Se producen por la acción gravitatoria de la Luna y el Sol, que distorsionan la superficie de los océanos en una especie de elipsoide.

Dada una posición relativa de la Tierra-Luna-Sol (que define lo que se llama un “día en un mes”), esta deformación elipsoidal de los océanos es “estacionaria”, es decir, su forma no cambia. Es la rotación de la Tierra, cuya corteza (más rígida) no se deforma por las mareas, la que hace que una determinada costa pase dos veces al día por una joroba en el elipsoide de las aguas (mareas altas) y dos veces al día por una depresión (mareas bajas).

Se trata del conocido fenómeno de las mareas.

Las ondas gravitacionales como mareas que se propagan

¿Qué pasaría si el Sol y la Luna desaparecieran de repente? Los océanos dejarían de tener una razón para estar distorsionados y recuperarían una forma más esferoidal.

Pero este proceso está sujeto a dos limitaciones: por un lado, la información de la desaparición de la Luna y el Sol debe propagarse a una velocidad finita (nada puede viajar más rápido que la luz, según la relatividad especial de Einstein). Por otro lado, la relajación de los océanos a su estado no distorsionado se realiza oscilando alrededor del esferoide.

Una “onda gravitatoria” es el fenómeno físico que informa de los cambios en una fuente gravitatoria (en el ejemplo, la Luna y el Sol) mediante una señal que se propaga a una velocidad finita e induce oscilaciones en la forma de los cuerpos que se encuentran en su trayectoria (en el ejemplo, los océanos).

En un sentido literal, las ondas gravitacionales son mareas dinámicas que se propagan en el espacio. Este canto gravitacional es un canto silencioso, se expresa por los cambios de formas.

Los orígenes de las ondas gravitacionales

¿Cuáles son los sistemas físicos que producen estas mareas de propagación? En otras palabras, ¿cuáles son las fuentes de estas ondas? La respuesta es sencilla: cualquier sistema cuya forma cambia con el tiempo es una fuente de ondas gravitacionales. Podría ser yo agitando rápidamente mis brazos o un sistema binario de objetos astrofísicos compactos.

Esto nos lleva a una aparente paradoja: si cualquier sistema que se deforma en el tiempo emite estas ondas, ¿por qué no estamos rodeados de estas mareas que a su vez deforman cualquier objeto que se encuentre a su paso? En realidad, están ahí pero son demasiado débiles para ser perceptibles. Este es mi caso cuando agito los brazos. Sólo los objetos muy masivos o con velocidades comparables a la de la luz son capaces de producir señales apreciables, como los binarios de los objetos compactos.

Por lo tanto, tenemos que mirar más allá de la Tierra para identificar las fuentes adecuadas. Y aquí es donde entran los agujeros negros binarios, con sus grandes masas y velocidades orbitales cercanas a la luz.

Rompiendo el silencio gravitacional

Ahora volvamos a nuestra afirmación original de que los agujeros negros binarios pueden cantar.

De hecho, todas las estrellas binarias cantan gravitacionalmente, pero solo las formadas por objetos muy compactos (agujeros negros, estrellas de neutrones, enanas blancas…) cantan lo suficientemente alto. Los otros hacen que su melodía suene demasiado baja para ser detectada: si todos los cantos de los sistemas binarios son silenciosos, algunos son más que otros…

Por lo tanto, gracias a un tour de force tecnológico, los astrofísicos han logrado romper este silencio gravitacional. El desarrollo de los interferómetros láser, verdaderas antenas gravitacionales, ha permitido la detección directa de estas ondas y el acceso a su información astrofísica y cosmológica.

Una red de interferómetros en la Tierra

Estos interferómetros están formados por dos brazos perpendiculares de exactamente la misma longitud, que son sometidos a oscilaciones (estiramiento y compresión) cuando una onda gravitacional los atraviesa. La interferometría óptica permite medir con gran precisión el cambio relativo de la longitud de estos brazos, identificando así el paso de una onda.

Como estas ondas gravitacionales son fenómenos de marea y su efecto es más fuerte cuanto mayor es el tamaño del objeto deformado, los brazos de los interferómetros tienen varios kilómetros de longitud (4 km en LIGO, en Estados Unidos).

Hoy en día, existe una amplia red de interferómetros en la Tierra, cuyo funcionamiento simultáneo es crucial para el análisis de estas ondas. Para estudiar los objetos más masivos, como los agujeros negros de los centros galácticos, habrá que construir interferómetros en el espacio, lo que constituye el núcleo del programa espacial Lisa. Ahora tenemos oídos interferométricos para escuchar y descifrar la silenciosa canción gravitacional. Y su melodía es rica.

Un campo de investigación importante

El descubrimiento de las ondas gravitacionales fue un gran acontecimiento científico que se reflejó en el Premio Nobel de Física de 2017. De hecho, el estudio de la gravedad vive un momento especialmente dulce: tres de los últimos cinco premios Nobel se han concedido a investigaciones realizadas en el campo de la gravitación.

En 2017 ganaron las ondas gravitacionales y en 2019 la cosmología física y el descubrimiento de exoplanetas. El Premio Nobel de 2020 se concedió por la predicción teórica de los agujeros negros y su observación directa en los centros galácticos.

En la actualidad, la sinergia entre diferentes disciplinas está abriendo nuevos caminos en la cosmología, la astrofísica y la física fundamental. A cambio, el universo gravitacional nos canta para revelar sus misterios.

José Luis Jaramillo, Professeur des Universités, Institut de Mathématiques de Bourgogne (IMB), Université de Bourgogne – UBFC

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.