Desde que se descubrió la primera colisión de agujeros negros hace cinco años, el número de detecciones de ondas gravitacionales no ha parado de crecer. Se acaba de publicar un catálogo que contiene cincuenta de estos eventos que corresponden a colisiones entre agujeros negros o estrellas de neutrones. Ha llegado el momento de hacer balance de los resultados.
Revolución gravitacional
Con la primera detección de ondas gravitacionales, que tuvo lugar el 14 de septiembre de 2015, se inició una auténtica revolución en el mundo de la astronomía. Estas pequeñas perturbaciones ondulatorias del espacio-tiempo, predichas por Einstein hace más de un siglo, se habían estado buscando durante décadas, pero el éxito no llegó hasta que el observatorio LIGO fue equipado con las prestaciones que lo dotaron de una sensibilidad suficiente (lo que se llamó el 'Advanced LIGO'). Gracias a esta observación, que correspondía a la colisión de dos agujeros negros situados a 1.300 millones de años luz de la Tierra, los investigadores Barish, Thorne y Weiss recibieron el Premio Nobel de Física de 2017.
LIGO consta de dos estaciones emplazadas en los estados de Washington y Luisana (EEUU). Junto con estas, pronto empezó a trabajar el observatorio europeo VIRGO en Italia. Durante los años 2016-2018, se realizó una segunda tanda de observaciones que condujo a la detección de otras nueve colisiones de parejas de agujeros negros. Además, en el año 2017, se consiguió detectar la colisión algo menos energética entre dos estrellas de neutrones (el evento GW170817), un fenómeno que también produjo una potente emisión luminosa que pudo ser observada desde muchos telescopios, desde tierra y desde el espacio.
Con la primera detección de ondas gravitacionales, que tuvo lugar el 14 de septiembre de 2015, se inició una auténtica revolución en el mundo de la astronomía. Estas pequeñas perturbaciones ondulatorias del espacio-tiempo, predichas por Einstein hace más de un siglo, se habían estado buscando durante décadas, pero el éxito no llegó hasta que el observatorio LIGO fue equipado con las prestaciones que lo dotaron de una sensibilidad suficiente (lo que se llamó el 'Advanced LIGO'). Gracias a esta observación, que correspondía a la colisión de dos agujeros negros situados a 1.300 millones de años luz de la Tierra, los investigadores Barish, Thorne y Weiss recibieron el Premio Nobel de Física de 2017.
LIGO consta de dos estaciones emplazadas en los estados de Washington y Luisana (EEUU). Junto con estas, pronto empezó a trabajar el observatorio europeo VIRGO en Italia. Durante los años 2016-2018, se realizó una segunda tanda de observaciones que condujo a la detección de otras nueve colisiones de parejas de agujeros negros. Además, en el año 2017, se consiguió detectar la colisión algo menos energética entre dos estrellas de neutrones (el evento GW170817), un fenómeno que también produjo una potente emisión luminosa que pudo ser observada desde muchos telescopios, desde tierra y desde el espacio.
Tercera tanda
En el año 2018 tanto LIGO como VIRGO fueron sometidos a grandes mejoras. Se incrementó la potencia de los láseres que forman los interferómetros, se sustituyeron algunos de los espejos hiperprecisos de los sistemas ópticos y se redujo el ruido cuántico de los detectores. Se consiguió así aumentar la sensibilidad de LIGO en un 40% y duplicar la de VIRGO.
Con esta sensibilidad tan sumamente mejorada, el 1 de abril de 2019 comenzó la tercera tanda (O3) de observaciones de ondas gravitacionales. Los resultados globales de la primera parte de esta tanda (denominada O3a), que terminó en octubre de 2019, acaban de anunciarse ahora mediante la publicación de un catálogo en el que se añaden 39 eventos a los 11 previamente conocidos.
Es decir, este catálogo contiene un total de 50 detecciones de ondas gravitacionales. Cada una de ellas equivale al descubrimiento de una colisión de un par de agujeros negros, o un par de estrellas de neutrones, o la colisión mixta de un agujero negro con una estrella de neutrones. Los datos obtenidos durante la serie O3 son de mucha mejor calidad que los previos y el uso combinado de LIGO con VIRGO permite una mejor triangulación para localizar los eventos en el firmamento.
En el año 2018 tanto LIGO como VIRGO fueron sometidos a grandes mejoras. Se incrementó la potencia de los láseres que forman los interferómetros, se sustituyeron algunos de los espejos hiperprecisos de los sistemas ópticos y se redujo el ruido cuántico de los detectores. Se consiguió así aumentar la sensibilidad de LIGO en un 40% y duplicar la de VIRGO.
Con esta sensibilidad tan sumamente mejorada, el 1 de abril de 2019 comenzó la tercera tanda (O3) de observaciones de ondas gravitacionales. Los resultados globales de la primera parte de esta tanda (denominada O3a), que terminó en octubre de 2019, acaban de anunciarse ahora mediante la publicación de un catálogo en el que se añaden 39 eventos a los 11 previamente conocidos.
Es decir, este catálogo contiene un total de 50 detecciones de ondas gravitacionales. Cada una de ellas equivale al descubrimiento de una colisión de un par de agujeros negros, o un par de estrellas de neutrones, o la colisión mixta de un agujero negro con una estrella de neutrones. Los datos obtenidos durante la serie O3 son de mucha mejor calidad que los previos y el uso combinado de LIGO con VIRGO permite una mejor triangulación para localizar los eventos en el firmamento.
Colisiones de todo tipo
Varios de estos fenómenos catalogados ya merecieron titulares de los medios de comunicación. Por ejemplo, cuando se detectó una colisión (GW190814) de una pareja de astros compactos que tenían masas muy diferentes: un agujero negro de 23 masas solares y un objeto de 2,6 masas solares que podría ser bien una estrella de neutrones muy masiva o bien un agujero negro particularmente ligero.
En la figura aquí adjunta, cada colisión descubierta se representa mediante tres puntos: el punto más alto corresponde a la masa del objeto resultante que está conectado por dos líneas a otros dos puntos correspondientes a los objetos progenitores. También se representan (sin estar unidos por trazos) otros objetos compactos conocidos previamente a las observaciones de LIGO y VIRGO (puntos morados y amarillos).
La colisión más cercana se observó a una distancia de 500 millones de años luz, mientras que la más lejana sucedió en los límites del universo conocido (las ondas viajaron durante 7.000 millones de años antes de alcanzar los detectores).
Brechas de masas
Como vemos en la ilustración adjunta, el catálogo se refiere a colisiones entre objetos de masa similar a la solar hasta agujeros negros de unas 90 masas solares. Un resultado interesante que se observa en la figura es que existe un vacío en el intervalo de masas para objetos de entre 2,5 y 5 masas solares. Esto corresponde a las masas comprendidas entre las de las estrellas de neutrones más masivas y los agujeros negros más ligeros.
Pero uno de los mayores hallazgos del catálogo es que hay bastantes agujeros negros involucrados en las colisiones que son muy masivos, de más de unas 40 masas solares. La abundancia de tales agujeros masivos constituye un auténtico misterio, veamos porqué.
Cuando una estrella muy masiva llega al final de su vida, quemando el carbono de su núcleo, tiene dos posibilidades. Si la masa estelar supera las 250 masas solares, colapsa de manera irremediable, a pesar de las explosiones que se produzcan, y forma un agujero negro que tendrá una masa final de unas 150 masas solares. Algo parecido sucede con estrellas de hasta 130 masas solares que mueren dejando un agujero negro de hasta 50 masas solares. Pero si la estrella tiene una masa de entre 130 y 250 masas solares, la fusión nuclear puede ir creando explosiones que impidan el colapso y destruyan la estrella completamente (mediante la creación de una supernova de inestabilidad de pares) sin dejar ningún rastro. Por eso, la teoría predice encontrar un vacío de agujeros negros entre 50 y 150 masas solares, aproximadamente. Pero, como vemos en la figura, no es eso lo que se observa.
Podría ser que todos esos agujeros negros observados con masas mayores de 40 (y hasta 90) masas solares del catálogo fuesen, a su vez, el resultado de la fusión de otros objetos de masas menores. Pero también hay otras posibilidades que se están considerando para explicar este misterio.
Más datos a punto de llegar
La estadística que puede realizarse con los 50 eventos contenidos en el catálogo actual ya arroja resultados muy interesantes, pero claramente sería preferible tener más datos. La segunda parte de la tanda de observaciones O3 se desarrolló desde noviembre de 2019 hasta que se desencadenó la pandemia en marzo pasado. Durante ese tiempo, los observatorios LIGO-Virgo lanzaron alertas con dos docenas de detecciones nuevas, pero se necesitan aún varios meses para analizar estos datos completamente, ampliar el catálogo, y realizar los consecuentes análisis estadísticos.
Vemos, en todo caso, cómo la observación de ondas gravitacionales está abriendo un campo totalmente nuevo de estudio en la astrofísica y nos abre una nueva ventana sobre el universo.
La publicación del nuevo catálogo LIGO-VIRGO ha sido realizada en tres artículos recientes cuyos manuscritos pueden consultarse aquí, aquí y aquí .
Rafael Bachiller es director del Observatorio Astronómico Nacional (Instituto Geográfico Nacional) y académico de la Real Academia de Doctores de España.
Fuente EL MUNDO