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Colisiones cósmicas y ondulaciónes del espacio-tiempo

Agujeros negros, colisiones cósmicas y ondulaciónes del espacio-tiempo

Colisiones cósmicas y ondulaciónes del espacio-tiempo
Simulación numérica de dos agujeros negros fusionados realizados por el Instituto Albert Einstein en Alemania. Crédito de la imagen: NASA Blueshift Flickr (CC BY-SA 2.0)

Por Katie Mack para Scientific American Junio 12 de 2017


La gente a menudo me pregunta: "¿Qué es el espacio-tiempo? La respuesta fácil es que es la "tela del espacio". Eso significa poco, el espacio no es un tejido y no actúa como uno, pero se dobla, se ondula, se estira y vibra.

¿Qué es el espacio-tiempo, en realidad? Es un sistema de coordenadas, una especie de cuadrícula conceptual. Es una manera de dar cuenta de las dimensiones del Universo, donde además de arriba y abajo, izquierda y derecha, hacia adelante y hacia atrás, también tenemos tiempo — el futuro y el pasado. La idea más revolucionaria propuesta por Einstein fue que la física sólo tiene sentido cuando el espacio y el tiempo están inextricablemente unidos entre sí, donde la forma en que viajamos a través de uno cambia la forma en que viajamos por el otro. Y la gravedad, una propiedad de cualquier cosa con masa o energía, cambia ambos.

El ejemplo más extremo de esto es un agujero negro. Acérquese a un agujero negro y, aparte de que finalmente se rompe el miembro de la extremidad del aumento del campo gravitacional, no notará mucho cambio. Pero en relación con alguien que mantenga una distancia segura, su reloj de pulsera, frecuencia cardiaca, procesos de pensamiento y cualquier otro aspecto de su existencia, se habrán detenido.

En el momento en que cruce el horizonte de eventos, marcando el punto de no retorno, aparecerá al resto del Universo como una imagen de oscurecimiento lento, oscureciendo de sí mismo. Y si mira hacia el Universo que ha dejado atrás, lo verá girando en un rápido avance, cambiando en el futuro sin ti. El resto de tu viaje, en la singularidad en el centro del abismo, será solo una experiencia exclusivamente solo para sus ojos (si aun vive).

Mientras que el interior de un agujero negro puede ser inaccesible para nosotros, la existencia de agujeros negros es un hecho bien establecido. La mayoría de las veces, los observamos cuando atraen materia cercana a sí mismos, creando remolinos de gas incandescente llamados discos de acreción. A veces, los vemos indirectamente a través de las órbitas de las estrellas que los rodean. Y en algunas circunstancias, su gravedad y el disco de acreción giratorio pueden deformar los campos magnéticos en tal enredo que crean chorros masivos de partículas que se extienden a años luz de los centros de las galaxias.

A partir del año pasado, sin embargo, hay una nueva manera de ver los agujeros negros: a través de cómo alteran el espacio-tiempo en sí mismos.

Cualquier cuerpo gravitante se puede decir que hace una "abolladura" en el espacio-tiempo, una región donde la cuadrícula se curva hacia adentro. Cuando los objetos masivos se aceleran a través del universo, esa abolladura también se mueve y crea una perturbación en el espacio que la rodea. Cuando dos agujeros negros se orbitan entre sí, las ondulaciones que su movimiento crea en el espacio pueden irradiarse a través del universo, estirándose y apretando todo en su camino.

Estas ondulaciones se llaman ondas gravitacionales, y el año pasado, por primera vez, los científicos tenían una máquina lo suficientemente sensible como para detectarlos: el experimento del Observatorio de Ondas Gravitatorias del Láser Interferómetro (LIGO). LIGO mide la distancia entre los espejos cuidadosamente suspendidos, rebotando los láseres de ida y vuelta por tubos de vacío de cuatro kilómetros de largo. Cuando una onda gravitacional pasa, la luz láser va muy ligeramente fuera de fase. LIGO puede detectar esto cuando el cambio de distancia es sólo un milésimo de la anchura de un protón.

La especialidad de LIGO es la colisión de agujeros negros. Cuando dos agujeros negros orbitan demasiado cerca uno del otro, comienzan una danza fatal, girando hacia dentro hasta que los horizontes de su evento se tocan, y se funden, convirtiéndose en uno. La masa del agujero negro final es igual a la suma de las masas de los dos menos un bit: la masa que se convirtió enteramente en ondas gravitacionales en el momento final. La energía de esa explosión de radiación gravitacional puede, durante ese breve momento, sumar más energía que la luz combinada de cada estrella en todo el Universo observable. Las olas pueden viajar durante miles de millones de años a través del cosmos, extendiéndose en todas direcciones, y aún así tener suficiente energía para desplazar los espejos de LIGO, permitiéndonos sentir las vibraciones de la colisión del agujero negro.

Hasta el momento, LIGO ha detectado tres agujeros negros en espiral. En cuanto a la física básica de los agujeros negros y las ondas gravitatorias, todos los eventos son perfectamente coherentes con las predicciones de la relatividad general de Einstein, una teoría de la gravedad establecido hace más de 100 años. Pero no todo es como los físicos esperaban. Las ondulaciones que hemos visto fueron producidas por agujeros negros más masivos de lo que pensábamos encontrar.

Hacer un agujero negro es fácil. Tome una estrella masiva (por lo menos varias veces más masiva que nuestro Sol) y espere varios millones de años para que se derrumbe. (Nota de seguridad: esto generalmente ocurre de una manera bastante desordenada.) Después de que el polvo de la estrella se aclare, quedará con un bonito agujero negro de "masa estelar", que pesa en algún lugar en las proximidades de unas pocas a 10 veces la masa del Sol. Vemos evidencia de agujeros negros de masa estelar en toda la galaxia, porque tienen un mal hábito de desgarrar otras estrellas que están orbitando alrededor de ellas. LIGO se construye principalmente para ver agujeros negros como este, si están en órbitas binarias entre sí y chocan cerca.

También hay muchos agujeros negros mucho más grandes por ahí, con masas millones de veces la del Sol, en los centros de las galaxias. Estos parecen crecer tirando en un montón de gas y polvo de su entorno, aunque el proceso de formación para ellos es todavía un poco confuso. Estos agujeros negros supermasivos también deben chocar a veces, pero las ondas gravitatorias de esas colisiones son de una frecuencia demasiado baja para ser detectadas por LIGO.

Los agujeros negros que LIGO ha visto, sin embargo, están en algún lugar en el medio, en el rango de decenas de masas solares. Siempre hemos asumido que los agujeros negros de este rango de masas probablemente existan, pero son difíciles de encontrar evidencia en las observaciones. Entonces, ¿por qué LIGO los ha visto, y no los pequeños agujeros negros de masa estelar que todos esperaban?

Hay algunas explicaciones posibles. Algunos tienen que ver con teorías sobre cómo se forman los agujeros negros, otros con la rapidez con que los agujeros negros se fusionan en diferentes ambientes y algunos con efectos de selección: el hecho de que las fusiones de agujeros negros más grandes hacen un "chapoteo" más grande en el espacio-tiempo y por lo tanto más fácil para LIGO a punto, incluso lejos. Lo que sí es cierto es que estos agujeros negros de tamaño medio nos están ayudando a perfeccionar nuestra comprensión de cómo se forman y crecen los agujeros negros.

Mientras algunos físicos han propuesto que la explicación podría ser algo realmente exótico, como una inmensa población invisible de agujeros negros que sobraron del universo primitivo, es demasiado pronto para decir que los cálculos anteriores estaban equivocados o que tenemos que reescribir todo . Esto todavía es definitivamente un caso de lo que en la ciencia llamamos estadísticas de pequeño número: hasta que tengamos datos de una gran cantidad de eventos de fusión, no podemos decir nada definitivo.

La buena noticia es que LIGO seguirá buscando, y con el tiempo, se pondrán en marcha nuevos detectores que nos darán más datos y nos ayudarán a identificar la dirección de cada señal. Esto significa que podríamos ser capaces de ver ráfagas de luz que podrían ser producidas por los eventos o averiguar en qué galaxia sucedieron, lo que hará que averiguar cómo sucedieron aún más fácil. Pero incluso con sólo estas detecciones, una nueva era de la astronomía ha comenzado.

La astronomía de ondas gravitatorias, donde vemos el Universo no en luz o partículas, sino recogiendo las vibraciones del espacio-tiempo en sí, es una verdadera revolución en nuestra visión del cosmos. Sólo podemos adivinar lo que podría mostrarnos a medida que seguimos sintiendo nuestro camino hacia el vasto desconocido.


Katie Mack es una cosmóloga teórica basada en la Universidad de Melbourne. Estudia la materia oscura, los agujeros negros, las primeras galaxias y los extraños pequeños misterios del cosmos.
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