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Tercer evento detectado por LIGO

Área: Espacio,Física — Viernes, 2 de Junio de 2017

El tercer evento de colisión de agujeros negros detectado por LIGO arroja interés sobre el tema.

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El observatorio LIGO de ondas gravitacionales anunció ayer el tercer evento de colisión de agujeros negros en ser detectado mediante esta nueva ventana observacional.

Recordemos que las ondas gravitacionales (OG) se desprenden de manera natural de la Relatividad General (RG). De la misma manera que una carga eléctrica acelerada emite ondas electromagnéticas, una masa acelerada produce ondas gravitacionales. Pero las ondas gravitacionales no son ondas que se transmitan dentro del espacio, como les pasa a las electromagnéticas, sino que son distorsiones del propio espacio en propagación.

Las ondas gravitacionales son muy débiles. Tan débiles que se necesitan fenómenos cataclísmicos relativamente cercanos para poder detectarlas directamente al límite de la tecnología actual.

El método empleado para su detección es un sistema interferométrico. Un haz láser recorre varias veces los dos brazos en forma de L de un interferómetro hasta que se le hace interferir consigo mismo. Si un frente de ondas gravitacionales pasa por el dispositivo alarga y contrae los brazos de tal modo que, aunque sea en una distancia minúscula, su efecto acumulado hace cambiar el patrón de interferencia. Hay dos de estas instalaciones de este tipo en EEUU, una en Louisiana y otra en el estado de Washington. Estos detectores ven un cambio en la longitud de sus brazos de hasta una diezmilésima parte del diámetro de un protón.

El sistema europeo equivalente, el Advance Virgo que está en Italia, no pudo registrar este nuevo evento porque el frente de ondas cruzó la Tierra el pasado 4 de enero (por lo que se le ha denominado GW170104) y en ese momento no estaba actualizado ni estaba operativo. Por tanto, no se puede determinar con exactitud el punto del cielo de donde provenía. Se estima, eso sí, que el choque de los agujeros negros, de 19 y 32 masas solares, se dio hace unos 3000 millones de años, por lo que se se dio a 3000 millones de años luz de distancia de nosotros, más o menos (el universo ha estado expandiéndose en este tiempo). En esa época sólo había microbios procariotas en la Tierra y los continentes empezaban a formarse.

El resultado de este choque produjo un único agujero negro de unas 49 masas solares. La diferencia de masa fue emitida en forma de energía en la emisión de OG. Fue precisamente la emisión de OG que se produjo justo durante la colisión lo que se ha logrado detectar, como en las dos veces anteriores.

La señal recibida, como las otras anteriores, estaba compuesta por dos partes, una con un aumentó progresivo en frecuencia y amplitud que se generó inmediatamente antes de la colisión y otra debido al objeto que resultó de la colisión mientras adquiría una simetría esférica. Una vez se alcanza dicha simetría se deja de emitir OG detectables.

Podría parecer que se trata de un caso más, pero no es así por varios motivos. Las estadísticas de un caso dicen más bien poco, pero una estadística de tres casos ya puede empezar a decirnos algo más del Universo en el que vivimos. Entre otras cosas, este aumento de estadística nos dice que la detección de este tipo de eventos a través de esta nueva ventana observacional está siendo progresivamente rutinaria, por lo que pronto vamos tener información muy valiosa.

Este tercer evento es más lejano que los dos anteriores y ha permitido negar, hasta cierto punto, el caso del arcoiris gravitatorio. Según la RG las ondas gravitacionales siempre se mueven a la velocidad de la luz independiente de su longitud de onda. Pero hay propuestas que sostienen que podría haber una dispersión en este sentido. Si así fuera, en 3000 millones de años luz de distancia las distintas frecuencias del frente de ondas habría llegado en tiempos distintos, pero no ha sido así. Puede que esta dispersión sea muy pequeña, pero el efecto tendría que ser menor que el error en las medidas para un evento a esta distancia. Por tanto, Einstein vuelve a tener razón. Este aspecto también limita la posible masa del supuesto gravitón que porte el campo gravitatorio. Esta debe ser cero con cierto margen de error.

Otro aspecto interesante es que antes de que LIGO entrara en servicio se creía que había sólo dos tipos de agujeros negros en función de su masa: los agujeros negros supermasivos de los centros galácticos y los agujeros negros estelares de hasta 20 masas solares. La detección de estos eventos nos dice que hay bastantes agujeros negros con una masa superior a las 20 masas solares, algo que no tiene una buena explicación según la astrofísica estándar.

Podría suceder que se tratara, desde el punto convencional, que dos grandes estrellas de baja metalicidad (compuestas casi exclusivamente por hidrógeno y helio) que orbitaran muy cerca una de la otra alrededor de su centro de masas. Esto permitiría el intercambio de gases entre ellas y se irían acercando cada vez más. En el estadio final, se produciría una alineamiento entre las rotaciones de los cuerpos y finalmente se produciría esta colisión una vez convertidas hace tiempo en agujeros negros.

Pero lo que se ha medido de GW170104 no encaja con esa idea, pues sus rotaciones estaban dispuesta un tanto al azar en función de las órbitas.

Cuando el eje de giro coincide, parte de la energía asociada al momento angular es emitida en forma de onda gravitacionales justo antes de la formación del nuevo agujero negro. Esto es debido a que el momento angular de un agujero negro no puede exceder cierto valor.

En los dos casos anteriores los giros estaban alineados o casi, pero en este caso claramente no lo estaban. Esta orientación previa proporciona información sobre cómo se formó el sistema de dos agujeros negros.

Básicamente, los dos agujeros negros responsables de este evento no tenían sus ejes de giro alineados. Una posible explicación sería que los agujeros negros no procedieran de un sistema binario, sino de estrellas independientes que se aproximaron de alguna manera. Otra es que los agujeros negros se formaran por separado y luego formaran un sistema binario.

Una explicación más exótica es la que propone Juan García Bellido (Universidad Autónoma de Madrid y no en LIGO). Según este investigador, ni siquiera en los cúmulos globulares se pueden formar pares de agujeros negros desalineados en la densidad suficiente y en el plazo de la edad del universo como para explicar las observaciones.

Según él la mejor explicación es que se trate de agujeros negros primordiales que no se originaron en las estrellas, sino en el Big Bang. Ciertas regiones de alta densidad tras el Big Bang generarían cúmulos de agujeros negros. Estos cúmulos podrían dar cuenta de la materia oscura del Universo. Si está en lo cierto, las galaxias como la nuestra contaría con un halo de agujeros negros. Aunque esta idea es muy controvertida, además de que no es muy acepta en la comunidad científica, estos agujeros negros deberían producir fenómenos de lentes gravitatorias que parece que no son observados en la Naturaleza en la cantidad necesaria como para explicar ese 80% de masa perdida.

Quizás estos interrogantes los pueda despejar el propio LIGO pronto. Se estima que con 100 casos la estadística permita decir cosas con seguridad. Calculan que puede haber cada año de 12 a 212 (a veces las barras de error son así de grandes) eventos de este tipo en un volumen de universo correspondiente a un cubo de 3000 millones de años luz de lado. Así que LIGO, Advanced Virgo y los que se construyen en India y en Japón podrán detectar muchos de esos eventos, tantos como uno al día o uno a la semana. En la próxima década, según entren en servicio más de estos detectores y con mejor sensibilidad, este tipo de astrofísica se volverá rutinaria y permitirá poner a pruebas numerosas ideas y teorías.

Se espera que Advanced Virgo pronto alcance la precisión que tiene ahora LIGO, por lo que se podrá triangular para encontrar la ubicación y buscar contrapartidas ópticas. A su vez, LIGO dejará de medir después del verano para ser actualizado y para finales de 2018 posiblemente tenga más sensibilidad. Quizás se detecten pronto las colisiones de estrellas de neutrones.

De momento, los investigadores de LIGO dijeron en un congreso reciente que ya están analizando al menos 6 nuevos candidatos a eventos, pero no dieron más detalles.

Puede que en el futuro incluso se detecten casos de agujeros negros con menor masa que el Sol. En ese caso posiblemente se trataría de agujeros negros primordiales, pues con esa masa no se pueden formar en las estrellas.

Mientras tanto ondas generadas en estas colisiones cósmicas contraerá el espacio que ocupan nuestro cuerpo de forma inadvertida. Porque este tipo de cosas no sólo se dan en LIGO, sino en todas partes. Allí sólo son detectados.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=5563

Fuentes y referencias:
Artículo original.
Artículo de García Bellido.
Ilustración: Colaboración LIGO/OzGrav .

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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10 Comentarios »

  1. Dr. Thriller:

    Va bien, va bien, el volumen de incógnitas es tsunámico respecto al de asideros. En realidad, no encaja nada de nada excepto las predicciones de la RG. Cada vez tiene mejor pinta.

    Si no estoy equivocado, identifican estos eventos con fusiones de AN no sólo por las masas implicadas, sino por unas simulaciones previas que existían anteriormente al primer descubrimiento, y que se ajustan sorprendentemente bien.

  2. Miguel Ángel:

    Estás en lo cierto, Dr. Thriller: recuerdo que Neo comentó que las ondas del primer choque eran tal y como se habían predicho con anterioridad.
    Me alegro de verte tan contento barruntando la cantidad de paradigmas que pueden acabr en Nunca/Jamás.

  3. Tomás:

    Lo que más me extraña son los lugares elegidos para la los LIGO: Italia, India, Japón. Supongo que los de USA no comparten la característica de ser tan inestables respecto a los terremotos, pero tanto la India, como Japón, son víctimas insuperables. He de suponer que el ajuste ha de ser automático y permanente, pues la duración de la detección debe ser comparable a su calibre. No se me ocurre cómo se consigue esa estabilidad, así que espero impaciente ese LIGO espacial, imagino que suficientemente lejos de la Tierra.
    Resulta asombrosa tal precisión inimaginable.

  4. lluís:

    ” Once is chance, twice is coincidence, thrice is a pattern”. Es decir una estadística de tres casos ya puede empezar a decirnos algo acerca del universo en el que vivimos. Y, lo dice, confirma la real existencia de los “AN”, entre otras cosas.

    Es también interesante que se limite la masa (posible) del gravitón. Se podría preguntar de qué estan hechas esas “OG”.De gravedad, muy bien. Pero ¿de qué está hecha la “gravedad”? o ¿De qué está hecha la energía gravitatoria? Porque la gravedad, gravita.

    Se acepta ya que los “AN” tienen entropía y temperatura. ¿Cómo es posible que tenga entropía la gravitación? Parecería que la gravitación debería poseer un estructura interna. ¿No podría ser esa estructura de la gravitación,el gravitón?

    Y si fuera el gravitón, una partícula, entonces se podría decir que la onda gravitacional cumple con la famosa dualidad ” onda-partícula” establecida por la mecánica cuántica tanto para la materia como para la luz.

    Por otra parte, me pregunto porqué la RG de Einstein prohibe que se del fenómeno de dispersión (el arcoiris) en las ondas gravitacionales, si no importa la longitud de onda. ¿ Por qué se da ese efecto dispersión cuando ondas de luz atraviesan un medio físico y viajan entonces a diferentes velocidades en relación a sus longitudes de onda y no sucede lo mismo con esas ondas gravitatorias?

  5. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    La masa del gravitón es compatible con cero. Sólo se pone una cota, con él o con cualquier otra partícula sólo se tienen cotas.

    Esas OG están hechas de espacio deformado. La gravedad no es más que espacio-tiempo y este no es más que un campo. Según la RG los papeles de espacio-tiempo y energía son intercambiables.

    Según la teoría cuántica de lazos, la entropía de un AN no es más que el reflejo de la información contenida en los posibles microestados de espacio-tiempo.

    La luz se dispersa porque en un medio que no es el vacío las distintas frecuencias van a distintas velocidades. Aquí no hay nada equivalente a ese medio no vacío.

    La estructura interna de la que habla, el gravitón y sus cualidades como la de onda-corpúsculo dependerá de una teoría cuántica de la gravedad que, de momento, no tenemos.

    Podría suceder perfectamente que el gravitón como tal no existiera y que sólo se podría hablar de su cuasipartícula, como en el caso de los fonones en un cristal. Esos fonones no existen sin la red cristalina. Así que a los gravitones les podría pasar igual.

    Personalmente yo ya no creo en los gravitones. Estos vienen de la teoría cuántica de campos, que en el caso de la gravedad falla estrepitosamente. Sin embargo, la RG hace funcionar nuestro GPS y goza de una salud de hierro. Intentamos meter con calzador el concepto de gravitón a unas OG que no lo necesitan y que ya manifiestan su existencia rutinariamente sin necesidad de ellos. La RG no necesita de gravitones, son los físicos de partículas los que los necesitan para quedarse así tranquilos y que el Universo siempre se comporte según su esquema. O bien la gravedad es la curvatura del espacio o bien es un intercambio de gravitones virtuales, pero no puede ser ambas cosas a la vez. Tenemos innumerables pruebas de lo primero y ninguna de lo segundo. Según el método científico debería estar clara la decisión.

    Finalmente, la RG tiene que fallar a algún régimen si la gravedad cuántica existe.

  6. lluís:

    Que la luz se dipersa por que en un medio que no es el vacío la frecuencia de las ondas viaja a distintas velocidad, por supuesto. Pero el vacío no está “vacío”. Es un mar efervescente de pares de partículas virtuales que se crean y se destruyen incesantemente.

    En cuanto a la Teoría cuántica de lazos, tampoco es que haya servido de mucho en la busqueda de una teoría de gravedad cuántica. Y no me queda muy claro que se quiere decir con lo de que la entropía de un AN “no es más que el reflejo de la información contenida en los posibles microestados de espacio tiempo”. Prescindiendo del hecho de que el espacio tiempo pueda tener microestados (al fin y al cabo un AN es vacío) esos microestados podrián ser también de energía, puesto que también tienen una temperatura.

  7. lluís:

    A ver, que no quedó muy claro lo que quise decir en la parte final de mi comentario.

    Según Hawking-Bernstein, el área del horizonte de sucesos parece tener entropía, y la entropía mide el número de posibles estados (o microestados)con una determinada energía alcanzable. Por eso no entiendo muy bien, como dije, que se quiere decir con que la “entropía de un “AN” no es más que el reflejo de la información…..”

    Y precisamente porque no tenemos una teoría de gravedad cuántica, es por lo que se puede especular, por ejemplo, ¿por qué no se puede pensar que el espacio tiempo podría ser como un fluído de gravitones con una viscosidad cero, un campo cúantico de gravitones con un valor cero.Algo similar a un plasma o condensado Bose-Einstein?.

    Muy posiblemente sea eso una chifladura, pero en algo hay que pensar. LO siento, pero es que me parece muy extraño que tres de las fuerzas tengan que ver con interacciones entre partículas y la gravedad sea una geometría.Una curvatura del espacio-tiempo, espacio que no sabemos qué es y tiempo que tampoco lo sabemos.

  8. NeoFronteras:

    La entropía está ligada a la información con o sin AN:

    https://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADa_(informaci%C3%B3n)

    En este caso en particular se trataría de la información de los microestados que pueden tomar los elementos de espacio de un agujero negro:

    https://encrypted.google.com/search?q=entropy+shannon+information#q=entropy+quantum+loop+gravity+site:arxiv.org

    Lo del fluido ya se han pensado y se publicó, se recogió por aquí e incluso en la serie The Big Bang Theory, pero no precisamente con gravitones:

    http://neofronteras.com/?p=4416

    http://neofronteras.com/especiales/?p=197

    No podemos crear un espacio a partir de gravitones, entre otras cosas porque tendrían masa nula y se moverían a la velocidad de la luz. Los fotones son también bosones y nunca se están quietos.
    Podemos especular todo lo que queramos, pero sin una teoría que respalde lo que digamos no vamos a ningún lugar. De momento sólo la RG describe bien el espacio-tiempo y las ondas gravitatorias.

    Es que resulta alucinante que algunos científicos no quieran asumir las consecuencias del propio método científico. Menos mal que la realidad es tozuda.

    Y sí, la Teoría de Lazos, al menos de momento, no es una buena teoría cuántica de la gravedad.

  9. Tomás:

    Querido Neo: perdón por reaccionar tan tardíamente, pero con “alineados” ¿quiere decirse que los ejes están en la misma línea o que son paralelos? Es que lo primero parece muy difícil, aunque es el significado exacto.

  10. JavierL:

    Según Wikipedia…

    “Una teoría cuántica de la gravitación requiere que el gravitón operase de manera similar al fotón, pero al contrario que en la electrodinámica, donde los fotones no actúan directamente entre ellos sino solo con las partículas cargadas, la gravedad simplemente no funciona de manera tan simple, ya que los gravitones podrían interactuar entre ellos. Los hechos experimentales demuestran que la gravedad se crea por cualquier forma de energía (y la masa es únicamente una forma particularmente condensada de energía, relación establecida por la célebre ecuación de Einstein), lo cual es difícil de describir en unos términos similares a la carga eléctrica. Hasta la fecha todos los intentos de crear una teoría cuántica simple de la gravedad han fracasado”.

    Así que veo interesante ver como cualquier forma de energía podría generar gravitones. En un trabajo muy fuerte tomando en cuenta los modelos de interacción de partículas. Y como la gravedad gravita, entonces ¿el graviton generaria más gravitones?

    No lo veo claro. Es como si un foton generara más fotones.

    A propósito. Tomas. Me recuerda la conversación que teníamos sobre su la energía gravita. http://neofronteras.com/?p=5261. Donde me falto un detalle.

    En su momento deje pasar la carga eléctrica de una esfera… Pero luego de pensar en el tema. Básicamente la carga eléctrica se forma como dijiste por falta o exceso de electrones… Así que de entrada no tiene la misma masa que una esfera neutra… Pero no sería ese el punto… Más bien se trataría de que que la nueva masa tiene una gravedad distinta a la pura masa debido a la energía asociada a la carga eléctrica.
    De hecho estaba leyendo sobre agujeros negros de Kerr-Newman que al tener carga eléctrica gravitan distinto… Por la misma carga eléctrica https://arxiv.org/pdf/0805.1417

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