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Proponen que las ondas gravitacionales procedentes de la colisión de agujeros negros producirían una especia de eco si se encuentran estrellas de neutrones o enanas blancas por el camino.

Los astrofísicos cuentan ahora con una nueva ventana abierta al Universo gracias a los detectores de ondas gravitacionales basados en interferometría. Con ellos podemos saber de fenómenos que hasta ahora se presentaban esquivos, como la colisión de agujeros negros.

Una vez establecido que se pueden detectar estas ondas del propio espacio-tiempo predichas por la teoría de la gravedad de Albert Einstein, es decir, por la Relatividad General, se ha podido ir mejorando la sensibilidad de los interferómetros e incluso se piensa en construirlos en el espacio o detectar estas ondas de otras formas.

Ahora, un estudio teórico sugiere que se pueden usar las ondas gravitacionales para estudiar objetos mucho más pequeños y difíciles de detectar que los agujeros negros que generan esas ondas cuando estos chocan entre sí.

La idea es partir de las ondas generadas en estas colisiones entre agujeros negros, pero además tener en cuenta que estas ondas gravitacionales deberían rebotar en otros objetos masivos para producir ecos de las mismas señales que llegan directamente a la Tierra si esos objetos se encuentran relativamente cercanos a la linea de visión.

Estos «ecos gravitatorios» podrían servir como una especie de radar para detectar enanas blancas, estrellas de neutrones y otros cuerpos estelares que son difíciles de ver más allá de nuestra galaxia.

Según Craig Copi (Universidad Case Western Reserve), si la Relatividad General es correcta, este tipo de eco tiene que existir a algún nivel, pero advierte que eso no garantiza que sea observable.

Como todos ya sabemos, y de acuerdo con la Relatividad General, los objetos masivos como las estrellas y los planetas deforman el espacio-tiempo para crear el fenómeno que llamamos gravedad. Cuando dos objetos masivos, como un par de agujeros negros, giran juntos justo antes de la colisión irradian ondas gravitacionales en todas las direcciones. Son precisamente estas ondas las que hemos estado detectando desde 2015.

Las ondas son increíblemente débiles y para detectarlas se han venido utilizando enormes instrumentos ópticos en forma de L llamados interferómetros. Estos instrumentos están en diferentes partes del mundo y esto permite saber la región de procedencia de las ondas cuando estas son detectadas por ellos. Como ejemplo tenemos lo dos de LIGO (EEUU) y Virgo en Italia. Juntos, estos detectores han observado docenas de señales de ondas gravitacionales, la mayoría provenientes de la fusión de dos agujeros negros.

Según Copi y Glenn Starkman (Case Western), esa señal debería ir acompañada en algunos casos de un eco considerable que llegase una fracción de segundo más tarde. Así, consideran un objeto compacto, como una enana blanca o una estrella de neutrones, que se encuentra cerca, pero no directamente en la línea de visión de los agujeros negros que se fusionan. Calculan que las ondas gravitacionales que son dispersadas por el objeto pueden reproducir, a una intensidad menor, la señal que viene directamente de la fuente. El efecto sería así como un eco de la señal directa.

La física es sutil y viene de la Relatividad General. Las ondas no son dispersadas por el material del objeto que atraviesan, sino por el campo gravitatorio del objeto. Los físicos teóricos habían calculado previamente que la dispersión de un objeto infinitesimalmente pequeño, como un agujero negro, solo debería producir una dispersión muy débil que difícilmente sería detectable. Sin embargo, esto probablemente se debiera a la naturaleza matemática específica del campo de una fuente puntual, cuya fuerza varía inversamente con el cuadrado de la distancia al punto.

En lugar de considerar una masa puntual, Copi y Starkman analizaron la dispersión de un objeto esférico denso de cierto tamaño. Esperaban que también se produjera un eco demasiado pequeño como para ser detectado, pero la sorpresa fue que no encontraron que fuera así. La clave del efecto es que dentro de la esfera, el campo gravitatorio es distinto al de una fuente puntual.

Podrían ser posibles otros tipos de ecos. Algunos físicos han calculado que si hay modificaciones cuánticas a la Relatividad General, entonces el final de la señal de la fusión de dos agujeros negros debería exhibir una especie de reverberación. Pero este efecto requiere nueva física que se desconoce y produce una secuencia de ecos imperfectos, por lo que es complicado comparar la señal real con los modelos. Este nuevo efecto gravitacional produciría un eco único e igual al de la señal original. Sería una especie de copia que estaría pegada a la señal, pero que vendría con cierto retraso.

Un efecto que ya era conocido y que produciría algo similar sería cuando justo en la linea de visión hay un objeto y este actúa como lente gravitatoria, lo que produciría múltiples imágenes del evento. Obviamente la probabilidad de que se dé algo así son muy escasas.

Según estiman Copi y Starkman, basándose en las poblaciones de estrellas de neutrones y enanas blancas de la Vía Láctea, se debería registrar un caso de eco por cada 225 eventos de ondas gravitacionales con una intensidad de un tercio o más de la señal original. Según esto podría haber ya algunos casos de estos entre los registrados por la colaboración LIGO-Virgo.

Los detectores se están mejorando constantemente, por lo que en un futuro próximo podrán detectar miles de eventos de choques entre entre objetos masivos. Esto generaría la suficiente estadística de ecos como para saber la abundancia de objetos compactos del tipo enanas blancas y estrellas de neutrones en otras galaxias.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Preprint en ArXiv.
Foto: LIGO.