Muchos esperan que la primera detección directa de ondas gravitacionales sea anunciada el 11 de febrero por el Observatorio de Interferómetro Láser Avanzado de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés). Usando los detectores gemelos gigantes de LIGO (uno en Livingston, Louisiana, y el otro en Hanford, Washington) se dice que investigadores han medido ondulaciones en el espacio-tiempo producidas por una colisión entre dos agujeros negros.

Un anuncio como este reivindicaría la predicción de Albert Einstein sobre las ondas gravitacionales, que realizó hace casi exactamente 100 años como parte de su teoría general de la relatividad, pero también tendría una significación mucho mayor. Al ser vibraciones en el tejido del espacio-tiempo, las ondas gravitacionales se comparan a menudo al sonido, e incluso se han convertido en fragmentos de sonido. De hecho, los telescopios de ondas gravitacionales permiten a los científicos ‘oír’ fenómenos al mismo tiempo que los telescopios basados ​​en la luz los ‘ven’ . (Miembros del LIGO y su homólogo más pequeño: Virgo, en Pisa, Italia, ya han establecido un sistema para alertar a las comunidades que trabajan en otros tipos de telescopios).

Cuando LIGO luchó para conseguir fondos del gobierno de Estados Unidos a principios de la década de 1990, sus principales oponentes en las audiencias del Congreso fueron astrónomos. "La opinión general era que LIGO no tenía mucho que ver con la astronomía", dice Clifford Will, un teórico de la relatividad general en la Universidad de Florida en Gainesville y uno de los primeros en dar apoyo a LIGO. Pero ahora las cosas han cambiado, dice.

Bienvenidos al campo astronómico de las ondas gravitacionales: echemos un vistazo a las preguntas y fenómenos que puede explorar.

¿Realmente existen los agujeros negros?

La señal que se espera que LIGO anuncie el jueves, se rumorea que ha sido producida por la fusión de dos agujeros negros. Este tipo de eventos son los más energéticos conocidos; la potencia de las ondas gravitacionales que emiten puede brevemente rivalizar con la combinación de todas [ las ondas gravitacionales ] de las estrellas en el Universo observable. Las fusiones de agujeros negros también se encuentran entre las señales de ondas gravitacionales más limpias para interpretar.

Una fusión de agujeros negros se produce cuando dos agujeros negros comienzan a girar en espiral el uno en torno al otro, irradiando energía en forma de ondas gravitacionales. Estas ondas deben tener un sonido característico llamado chirrido, que se puede utilizar para medir las masas de los dos objetos. A continuación, los agujeros negros se fusionan. "Es como si tuvieras dos pompas de jabón tan cerca que forman una burbuja. Inicialmente, la burbuja más grande se deforma", dice Thibault Damour, un teórico de la gravedad en el Instituto de Estudios Científicos Avanzados cerca de París. El agujero negro resultante se asentará en una forma perfectamente esférica, pero primero se predice que irradiará ondas gravitacionales en un patrón llamado ringdown.

Una de las consecuencias científicas más importantes de la detección de una fusión de agujeros negros sería la confirmación de que los agujeros negros realmente existen, al menos como los objetos perfectamente redondos hechos de la pura, vacía, deformación del espacio-tiempo que predice la relatividad general. Otra sería que las fusiones se desarrollan tal como se habían predicho. Los astrónomos ya tienen mucha evidencia circunstancial de estos fenómenos, pero hasta ahora esto ha llegado a partir de las observaciones de las estrellas y los gases súper-calentados que orbitan alrededor de los agujeros negros, no de los propios agujeros negros.

"La comunidad científica, en la que me incluyo, se ha vuelto muy indiferente a los agujeros negros. Los hemos dado por sentado", dice Frans Pretorius, un especialista en simulaciones de la relatividad general de la Universidad de Princeton, en Nueva Jersey. "Pero si se piensa lo asombrosa que es su predicción,, realmente necesitamos evidencia asombrosa."

¿Viajan las ondas gravitacionales a la velocidad de la luz?

Cuando los científicos empiezan a comparar las observaciones de LIGO con las de otros tipos de telescopios, una de las primeras cosas que comprobarán es si las señales llegan al mismo tiempo. Los físicos plantean la hipótesis de que la gravedad es transmitida por partículas llamadas gravitones, el análogo gravitacional de los fotones. Si, como los fotones, estas partículas no tienen masa, entonces, las ondas gravitacionales viajarían a la velocidad de la luz, coincidiendo con la predicción de la velocidad de las ondas gravitacionales de la relatividad general clásica. (Su velocidad puede verse afectada por la expansión acelerada del universo, pero eso debería manifestarse solamente en distancias mucho mayores de las que LIGO puede explorar).

Pero es posible que los gravitones tengan una ligera masa, lo que significaría que las ondas gravitacionales viajarían a una velocidad menor que la velocidad de la luz. Así que si, por ejemplo, LIGO y Virgo detectasen las ondas gravitacionales de un evento cósmico, y encontraran que las ondas tardaron un poco más en llegar a la Tierra que el estallido asociado de rayos gamma detectados por un telescopio más convencional, eso podría tener consecuencias trascendentales para la física fundamental.

¿Está el espacio-tiempo hecho de cuerdas cósmicas?

Una simulación de cuerdas cósmicas.

Mark Hindmarsh/Universidad de Sussex.

Pero es posible que los gravitones tengan una ligera masa, lo que significaría que las ondas gravitacionales viajarían a una velocidad menor que la velocidad de la luz. Así que si, por ejemplo, LIGO y Virgo detectasen las ondas gravitacionales de un evento cósmico, y encontraran que las ondas tardaron un poco más en llegar a la Tierra que el estallido asociado de rayos gamma detectados por un telescopio más convencional, eso podría tener consecuencias trascendentales para la física fundamental.

¿Son las estrellas de neutrones asimétricas?

Las estrellas de neutrones son los restos de estrellas más grandes que colapsaron bajo su propio peso, llegando a ser tan densas que comprimieron los electrones y protones que las constituyen hasta fusionarse en neutrones. Su física extrema es poco comprendida, pero las ondas gravitacionales podrían proporcionar una visión única. Por ejemplo, la intensa gravedad en su superficie tiende a hacer que las estrellas de neutrones sean casi perfectamente esféricas. Sin embargo, algunos investigadores han teorizado que todavía podría haber "montañas",–a lo sumo de unos pocos milímetros de altura– que hacen que estos objetos densos, ellos mismos de unos 10 kilómetros de diámetro, sean ligeramente asimétricos. Las estrellas de neutrones por lo general giran muy rápidamente, por lo que la distribución asimétrica de masa deformaría el espacio-tiempo y produciría una señal de ondas gravitacionales continua en la forma de una onda sinusoide, que irradiaría energía y reduciría la velocidad de rotación de la estrella.

Dúos de estrellas de neutrones que orbitan alrededor la una de la otra también producirían una señal continua. Al igual que los agujeros negros, las estrellas girarían en espiral para, finalmente, fusionarse, a veces produciendo un chirrido escuchable. Sin embargo, sus instantes finales bastante diferentes de los de los agujeros negros. "Usted tiene un zoológico de posibilidades, dependiendo de las masas y de cuanta presión puede ejercer la ya densa materia de los neutrones ", dice Pretorius. Por ejemplo, la estrella resultante podría ser una gran estrella de neutrones, o podría colapsar inmediatamente y convertirse en un agujero negro.

¿Qué hace que las estrellas exploten?

Los agujeros negros y las estrellas de neutrones se forman cuando las estrellas masivas dejan de brillar y colapsan sobre sí mismas. Los astrofísicos piensan que este proceso es lo que da energía a un tipo común de explosión de supernova, conocida como Tipo II. Las simulaciones de este tipo de supernovas aún no han explicado claramente lo que las inicia, pero escuchar los estallidos de las ondas gravitacionales, que se espera que las supernovas produzcan, podría contribuir a dar una respuesta. Dependiendo de qué formas sean las explosiones de las ondas, cuán fuertes sean las explosiones, lo frecuentes que sean y cómo se correlacionen con las supernovas vistas por telescopios electromagnéticos, los datos podrían ayudar a validar o descartar varios modelos existentes.

Cassiopeoa A, el remanente de una supernova. 
NASA/CXC/SAO

¿Cuán rápido se está expandiendo el universo?

La expansión del universo significa que los objetos distantes que se alejan de nuestra galaxia se ven más rojos de lo que realmente son, porque la luz que emiten se estira a medida de que viaja. Los cosmólogos calculan la tasa de expansión del universo comparando este corrimiento al rojo (redshift) de las galaxias con la distancia a que las galaxias están de nosotros. Pero esa distancia se suele medir por el brillo de las supernovas "Tipo Ia”, una técnica que deja grandes incertidumbres.

Si varios detectores de ondas gravitacionales en todo el mundo detectan señales de la misma fusión de una estrella de neutrones, juntos serán capaces de proporcionar una estimación del volumen absoluto de la señal, que revelará a qué distancia se produjo la fusión. También serán capaces de calcular la dirección de la que vino; entonces los astrónomos podrían deducir en qué galaxia se produjo la fusión. Al comparar el corrimiento al rojo de la galaxia con la distancia de la fusión, medida por la intensidad de las ondas gravitacionales, podría proporcionar una estimación independiente de la tasa de expansión cósmica, posiblemente más precisa que con los métodos actuales.

Este artíulo se reproduce con permiso y se publicó primero el 9 de febrero de 2016.