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La detección de ondas gravitacionales al poco de detectarse por primera vez indicaría que hay más pares de agujeros negros de lo que se suponía.

El grupo de investigadores de LIGO ha anunciado recientemente la detección de ondas gravitatorias por segunda vez. Este segundo evento también proviene de la colisión de dos agujeros negros.

La detección de estas ondas por segunda vez implica que el primer evento no fue un golpe de muy buena suerte y que ya tenemos la Astronomía de ondas gravitatorias en funcionamiento. Además, esta estadística de dos casos sugiere que la colisión de agujeros negros es frecuente, pues parece haber una mayor población de pares de agujeros negros de lo que se pensaba, aunque habrá que esperar a mejorar la estadística. Se espera que LIGO detecte este tipo de eventos de manera habitual en el próximo futuro.

El registro del evento anunciado se produjo el 26 de diciembre pasado a las 3:38:53 UTC, cuando todavía era el día de Navidad en los EEUU. Se le ha denominado GW151226. La notificación con el posible registro llegó a algunos de los investigadores cuando aún estaban de vacaciones de Navidad con sus familias y cuando todavía estaban trabajando en el análisis del primer evento que se produjo en septiembre.

El nuevo evento fue registrado por los detectores ubicados en los estados de Louisiana y Washington con la demora esperable (de un microsegundo) que resulta de una velocidad de la luz finita (estas ondas se mueven a la velocidad de la luz).

El evento de septiembre se generó por la colisión de dos agujeros negros de 36 y 29 masas solares, mientras que este otro fue producido por dos agujeros negros que tenían 14 y 8 masas solares. Debido a que GW151226 también se produjo lejos, esta segunda señal es más débil que la primera.

Sin embargo, la nueva señal tiene sus ventajas, pues es de mayor duración que la primera: un segundo completo frente a un quinto se segundo o, lo que es lo mismo, 27 órbitas frente a 5. Esto ha permitido calcular mejor parámetros como la velocidad a la que movían estos cuerpos antes de la colisión que los convirtió en un único agujero negro o el spin.

Uno de los agujeros tenía un parámetro de spin de 0,2, lo que corresponde a una rotación de un décimo de la velocidad de la luz. El spin del agujero negro resultante es de 0,7.

Como todos sabemos ya, la Relatividad General predice que los cuerpos masivos en aceleración emiten ondas gravitacionales. Cuando dos cuerpos muy masivos, como dos agujeros negros, orbitan alrededor del centro de masas común, van perdiendo energía que es emitida en forma de ondas gravitacionales. Esto hace que se acerquen cada vez más. En la fase final se mueven a una buena fracción de la velocidad de la luz y se emite una gran cantidad de energía en forma de ondas gravitacionales. Es precisamente esta fase final la única que puede detectar LIGO.

Las ondas gravitacionales son ondas del propio espacio que se propagan a la velocidad de la luz de un modo similar a las de sonido, aunque no igual, por lo que no hay que llevar esta analogía muy lejos. Einstein predijo su existencia hace 100 años y fueron detectadas por primera vez en septiembre pasado gracias a LIGO. El registro de este tipo de ondas permitirá poner a prueba la Relatividad General.

GW151226 se produjo a unos 1400 millones de años luz de nosotros, pero su lugar exacto es difícil de terminar porque con sólo dos detectores no se puede triangular bien. Se está a la espera de que se actualice Virgo en Europa. El evento emitió una energía en forma de ondas gravitacionales equivalente a transformar una masa solar en energía.

Se espera que LIGO llegue a detectar la colisión de estrellas de neutrones, tipo de colisión que se creía más frecuente que la de agujeros negros. Pero ha resultado que, de momento, es más fácil detectar colisiones de agujeros negros.

En la nueva detección están involucrados agujeros negros de masa estelar. Algo sorprendente porque no se creía que fueran numerosos. La estadística actual implica que puede haber de 6 a 400 colisiones de agujeros negros por gigaparsec cúbico al año.

Los astrofísicos están muy excitados por estos resultados y ansiosos por recibir más registros de este tipo de eventos. En concreto, quieren saber si la frecuencia de colisiones entre agujeros negros masivos es mayor o menor que en la que participan agujeros negros de baja masa. También será interesante saber si la radiación de ondas gravitacionales se efectúa en todas las direcciones por igual o no.

Conforme pase el tiempo se logrará una mayor estabilidad de los detectores y estos se irán mejorando, lo que permitirá detectar más eventos: eventos más débiles y eventos más lejanos. La primera campaña de observación duró de septiembre a enero pasado. La nueva campaña se planea para el último cuarto de este año, campaña a la que ya se unirá Advanced Virgo en algún momento de la misma. Esto permitirá una localización espacial de los eventos con mucha mayor precisión, lo que permitirá encontrar contrapartidas en el espectro electromagnético.

Se espera registrar entonces 2 eventos al mes, lo que permitirá describir la población de pares de agujeros negros del Universo, el origen de la formación de estos pares de agujeros y poner a prueba la Relatividad General con gran precisión. Pequeñas discrepancias en esto último podrían dar pistas sobre los efectos de la gravedad cuántica.

Otro aspecto interesante será poder evaluar la contribución de los agujeros negros a la materia oscura del Universo. Un grupo de investigadores del Johns Hopkins ya ha empezado los cálculos al respecto. Dependiendo de la cantidad de agujeros negros existente su contribución será mayor o menor, aunque no se espera que constituyan la totalidad de esa materia oscura.

Los eventos registrados por LIGO son compatibles, sobre todo el primero y entre otros escenarios, con agujeros negros primordiales generados al principio del Universo, en lugar se haber sido generados como estadio final en la evolución de estrellas de alta masa. Estos agujeros negros primordiales, por el contrario, se habrían generado por el colapso de grandes masas de gas al poco de darse el Big Bang. Estos agujeros negros primordiales podrían formar parte de los halos de las galaxias y constituir sistemas binarios que luego colisionarían.

Qué parte de la materia oscura esté formada por agujeros negros primordiales dependerá de las mediciones futuras de LIGO. No parece que constituyan la mayor parte de la materia oscura porque hay otras indicaciones que lo impiden, como las medidas de microlente gravitatorias. Estos agujeros actuarían de lentes sobre los objetos situados al fondo y esto no se ha observado experimentalmente en la cantidad necesaria. Además, consideraciones teóricas lo hacen incompatible con la estructura a gran escala del Universo que se observa.

En todo caso, bienvenida sea la Astronomía de ondas gravitacionales. Entramos en una nueva era observacional.

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Fuentes y referencias:
Artículo original
Se detectan directamente ondas gravitacionales.
Actualizan LIGO.
Ilustración: T. Dietrich and R. Haas, Max Planck Institute for Gravitational Physics.