Una década después de la detección de la primera onda gravitacional, los resultadosde la investigación publicada en ‘Nature Astronomy’ subrayan el valor del estudio de estas ondas para entender uno de los eventos más extremos que se producen en el universo.
Al igual que al disparar un arma se produce un violento retroceso, las colisiones de agujeros negros son tan brutales que el producto de su fusión puede salir disparado de la galaxia en la que se encuentra. La medición opor primera vez de este particular retroceso gravitacional acaba de plasmarse en un artículo publicado en Nature Astronomy. La investigación fue liderada por el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro mixto de la USC y de la Xunta de Galicia, y se basó en la señal de ondas gravitacionalesGW190412, registrado en 2019 por los detectores Advanced LIGO y Virgo. Hasta ahora, aunque ya se detectaron casi 300 ondas gravitacionales, no se había medido la velocidad ni la dirección del retroceso (también conocido como kick, ‘patada’ en inglés) de las fusiones de agujeros negros, fenómenos que suelen generar estas ondas y formar un nuevo agujero negro de mayor tamaño.
“El aspecto de las ondas gravitacionales emitidas por el agujero negro final en diferentes direcciones es muy cambiante, lo que nos permite entender donde estamos exactamente alrededor de él y, consecuentemente, saber donde nos situamos respeto a su dirección de retroceso”, explican desde lo equipo investigador. Sabiendo la masa y el sentido de giro (spin) de los agujeros negros, la Relatividad General de Einstein ayuda a conocer exactamente la dirección en la que retrocederá. Así, al combinar ambos ingredientes, “podemos saber hacia donde se dirige el agujero negro y a que velocidad”, indican. El profesor Juan Calderón Bustillo, miembro del IGFAE y líder del estudio, explica esta técnica con una analogía musical: “Pensemos en la fusión de agujeros negros como una orquesta que toca varios instrumentos, pero con una particularidad: dependiendo de donde estamos alrededor de la orquesta, escuchamos distintas combinaciones de instrumentos. Se tenemos datos suficientes, somos quien de saber exactamente donde estamos alrededor de ella”.
El equipo concluyó que el resultado de la fusión GW190412 salió disparado a más de 50 km/s, una velocidad suficiente para expulsarlo de cualquier cúmulo globular (agrupación de estrellas que gira alrededor del núcleo de una galaxia). También midieron los ángulos de su trayectoria respeto a la Tierra, al eje de su órbita y a la línea de separación de los agujeros justo antes de la fusión. “La trayectoria forma unos 40 grados respeto a la Tierra, así que sabemos que no impactará con nosotros”, bromea Calderón Bustillo.
“Este método se nos ocurrió allá por el 2018 y demostramos que nos permitiría medir retrocesos usando los detectores actuales, frente a otras propuestas que requerían esperar a la puesta en marcha del detector espacial LISA, planeado para la década de 2030”, explica el investigador del IGFAE. “En aquel momento no se había detectado ninguna señal acomodada, pero sabíamos que acabaría llegando. Fue muy emocionante cuando Advanced LIGO y Virgo detectaron la señal GW190412 y nos enteramos de que probablemente podríamos medir el kick… y hacerlo!”, destaca el profesor del departamento de Física de Partículas de la USC. Koustav Chandra, investigador posdoctoral en Penn State y coautor del artículo, añade que “este es uno de los pocos fenómenos astrofísicos donde no solo detectamos algo, sino que estamos reconstruyendo todo el movimiento tridimensional de un objeto que está a miles de millones de años luz, y lo hacemos empleando minúsculas perturbaciones en el espacio-tiempo. Es una demostración increíble del que las ondas gravitacionales nos permiten hacer”.
¿Para qué sirven estas medidas?
Segundo explican los autores del trabajo, medir la dirección de estos retrocesos abre la puerta a estudiar en detalle las fusiones de agujeros negros combinando ondas gravitacionales y electromagnéticas. “Cuando dos agujeros negros se fusionan en un entorno denso pueden llegar a producir señales electromagnéticas – conocidas como chispas o flares – la medida que el agujero negro final atraviesa y inflama ese medio, como por ejemplo un núcleo galáctico activo”, comenta Samson Leong, doctorando en la Chinese University of Hong Kong y coautor del artículo.
Estas combinaciones de señales ayudan a entender estos contornos con gran detalle y mismo a medir el ritmo de expansión del Universo. “Dado que la visibilidad de la chispa producida por una fusión de agujeros negros depende de la orientación del retroceso respeto a la #Terra, medirlos los va a permitir distinguir coincidencias reales de estas señales de aquellas que son simplemente fruto de la casualidad”, concluye Leong.
¿Qué son las ondas gravitacionales?
Las ondas gravitacionales son pequeñas perturbaciones del tejido espacio-temporal que se propagan a la velocidad de la luz, llevando con ellas la información sobre las fuentes que las producen. Gracias a estos datos es posible observar fenómenos que no emiten luz –como las fusiones de agujeros negros– y obtener información complementaria de otros que sí la emiten – como las supernovas o las fusiones de estrellas de neutrones. Con todo, la señal que llega a la Tierra es tan débil que requiere combinar detectores increíblemente sensibles con los fenómenos más violentos del Universo, como las fusiones de agujeros negros, las supernovas o mismo el Big Bang.
Albert Einstein predijo teóricamente la existencia de estas ‘arrugas’ en el espacio-tiempo en 1916. Pero hubo que esperar un siglo para conseguir observarlas directamente. El 14 de septiembre de 2015 (esta semana se cumplen 10 años de este hito), los detectores Advanced LIGO situados en los Estados Unidos –Hanford (California) y Livingston (Luisiana)– captaron la señal GW150914, producido durante la fusión de dos agujeros negros de unos 30 soles de masa. Desde entonces se detectaron casi 300 señales más, lo que nos permitió comenzar a entender la población de agujeros negros de nuestro Universo y estudiar la gravedad en su régimen más extremo.
Tras la primera acreditación del IGFAE como Unidad de Excelencia María de Maeztu, en 2017, la dirección científica del centro identificó el gran potencial de la línea de investigación de ondas gravitacionales, abriendo un nuevo programa de investigación centrado en esta disciplina. De este modo, el Instituto se incorporó en octubre de 2018 a la colaboración LIGO, ocupando posiciones relevantes en un experimento en el que participan más de 1.500 científicos y científicas de todo el mundo.
