jueves, 11 de febrero de 2016

Cuando los agujeros negros chocan

El rumor venía circulando por internet unas cuantas semanas, pero al final se ha confirmado: por primera vez, el experimento LIGO ha conseguido la detección directa de ondas gravitacionales. Recuerda que las ondas gravitacionales, una predicción de la Relatividad General, suponen la transmisión de las perturbaciones en la curvatura espaciotemporal. Hasta ahora, solamente se habían observado indirectamente con la emisión de energía en los púlsares (Husle y Taylor, Nobel en 1993), ya que la gravedad es tremendamente débil.

LIGO

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) es un experimento estadounidense (auque en su operación colaboran centros de todo el mundo) que tiene como objetivo la detección de ondas gravitacionales. Entre sus fundadores está Kip Thorne (conocido por ser el asesor científico en Contact e Interstellar y productor ejecutivo de esta última, además de por escribir uno de los libros de texto más populares de relatividad general).


Las ondas gravitacionales comprimen y dilatan las distancias en las direcciones perpendiculares a su propagación. Así que si emitimos un láser mientras pasa una onda gravitacional, veremos que su tiempo de vuelo es diferente al esperado. Pero medir esta minúscula diferencia de tiempo es imposible, así que se recurre a la interferometría:



El rayo láser se divide en dos, que se mandan en direcciones perpendiculares entre sí (de este modo, sufren cambios diferentes al transmitirse por la onda gravitacional), se hacen reflejar por un espejo y se vuelven a combinar. Si no hay ondas gravitacionales de por medio, los dos rayos recorren exactamente la misma distancia, y al combinarse se produce interferencia destructiva y no hay señal. Si por el contrario hay ondas gravitacionales, cada rayo viaja una distancia diferente, y el resultado es que no hay interferencia destructiva total.

Interferómetro de LIGO en Livingstone.
LIGO consta de dos interferómetros (uno en Livingstone, Louisiana y otro en Hanford, Washington) con brazos de 4km de longitud, que son recorridos ida y vuelta 75 veces antes de recombinar los rayos. Los interferómetros se encuentran en vacío y tienen sistemas para compensar microseísmos (tanto naturales como los provocados por el tráfico), para así reducir el ruido. El hecho de tener dos detectores separados (además de unos cuantos detectores menores de instituciones colaboradoras) permite triangular el origen de las ondas gravitacionales midiendo la diferencia de tiempos de detección.

LIGO estuvo operando desde 2002 hasta 2010, sin detectar ninguna señal de ondas gravitacionales. Hace un año volvió a funcionar con equipamiento más sensible, y por fin ha logrado su objetivo.

Black holes and revelations

El anuncio de hoy corresponde a la detección con una significancia estadística de 5.1\(\sigma\) (se considera descubrimiento) de ondas gravitacionales causadas en la colisión y fusión de dos agujeros negros.

Cuando dos agujeros negros se encuentran próximos, empiezan a emitir ondas gravitacionales, y como consecuencia de esta pérdida de energía, sus órbitas se van acercando cada vez más (inspiral) hasta finalmente chocar y fusionarse. Tras la fusión, el agujero negro resultante debe volver a un estado de equilibrio (ringdown): el agujero negro final está muy deformado, y debe volver a su forma de mínima energía, más simétrica (aproximadamente un agujero negro de Kerr, con el momento angular correspondiente al de sus predecesores y al momento angular orbital del sistema). Para ello debe "soltar lastre" perdiendo masa y emitiéndola en forma de ondas gravitacionales (recuerda que la masa se transforma en energía según \(E=mc^2\)). Entre la fusión y el ringdown se puede llegar a emitir alrededor del 5% de la masa total del sistema en cuestión de unos pocos minutos, con lo que la fusión de agujeros negros constituye el fenómeno más violento del universo.

Las ondas detectadas (evento GW150914) corresponden a la fusión de un agujero negro de 36 masas solares y otro de 29, dando lugar a un agujero negro final de 62 masas solares y la emisión de 3 masas solares en forma de ondas gravitacionales. Los agujeros negros se encuentran a una distancia de unos mil millones de años-luz. Esto supone una potencia de unos \(10^{45}\)W (para comparar, el sistema Tierra-Sol emite en ondas gravitacionales unos 200W, el equivalente a un par de bombillas incandescentes. Kip Thorne hizo una comparación más espectacular aún: es 50 veces la potencia emitida por todas las estrellas del Universo visible). El evento se detectó el 14 de septiembre de 2015. En la señal detectada se aprecian claramente las fases de la fusión y ringdown predichas por las simulaciones numéricas del proceso:


Desde el nacimiento de la humanidad, hemos estado mirando al cielo y aprendiendo de ello: primero con la vista solo, después con telescopios y en el último siglo usando rayos X, infrarrojos, microondas, ondas de radio,... pero siempre con la luz. Hasta hoy. Hoy hemos comenzado a sentir (oír) el Universo de una manera completamente nueva. Estaremos expectantes de las sorpresas que nos pueda deparar.

Para saber más...

"Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger". Phys. Rev. Lett. 116: 061102. 2016.