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Astronomía de ondas gravitacionales

La astronomía de ondas gravitacionales es un subcampo de la astronomía que se ocupa de la detección y el estudio de las ondas gravitacionales emitidas por fuentes astrofísicas. ...

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La astronomía de ondas gravitacionales es un subcampo de la astronomía que se ocupa de la detección y el estudio de las ondas gravitacionales emitidas por fuentes astrofísicas. [ 1 ]

Las ondas gravitacionales son distorsiones o ondulaciones minúsculas en el espacio-tiempo causadas por la aceleración de objetos masivos. Se producen por eventos cataclísmicos como la fusión de agujeros negros binarios , la coalescencia de estrellas de neutrones binarias , explosiones de supernovas y procesos que incluyen los del universo primitivo poco después del Big Bang . Su estudio ofrece una nueva forma de observar el universo, proporcionando valiosas perspectivas sobre el comportamiento de la materia en condiciones extremas. De forma similar a la radiación electromagnética (como la luz, las ondas de radio, la radiación infrarroja y los rayos X), que implica el transporte de energía mediante la propagación de fluctuaciones del campo electromagnético, la radiación gravitacional implica fluctuaciones del campo gravitacional, relativamente más débil. La existencia de ondas gravitacionales fue sugerida por primera vez por Oliver Heaviside en 1893 y posteriormente conjeturada por Henri Poincaré en 1905 como el equivalente gravitacional de las ondas electromagnéticas, antes de que Albert Einstein las predijera en 1916 como corolario de su teoría de la relatividad general .

Datos sobre la primera observación de ondas gravitacionales de los dos detectores LIGO y el interferómetro Virgo.

En 1978, Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr. proporcionaron la primera evidencia experimental de la existencia de ondas gravitacionales al observar dos estrellas de neutrones orbitando una alrededor de la otra, y ganaron el Premio Nobel de Física de 1993 por su trabajo. En 2015, casi un siglo después de la predicción de Einstein, la primera observación directa de ondas gravitacionales como señal de la fusión de dos agujeros negros confirmó la existencia de estos esquivos fenómenos e inauguró una nueva era en la astronomía. Las detecciones posteriores han incluido fusiones de agujeros negros binarios, colisiones de estrellas de neutrones y otros eventos cósmicos violentos. Actualmente, las ondas gravitacionales se detectan mediante interferometría láser , que mide pequeños cambios en la longitud de dos brazos perpendiculares causados ​​por el paso de las ondas. Observatorios como LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser), Virgo y KAGRA (Detector de Ondas Gravitacionales Kamioka) utilizan esta tecnología para captar las débiles señales de eventos cósmicos distantes. Los cofundadores de LIGO, Barry C. Barish , Kip S. Thorne y Rainer Weiss, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 2017 por sus contribuciones pioneras en la astronomía de ondas gravitacionales.

Potencial y desafíos

Cuando se observan objetos astronómicos distantes mediante ondas electromagnéticas, diversos fenómenos como la dispersión, la absorción, la reflexión y la refracción provocan pérdida de información. Existen varias regiones del espacio parcialmente penetrables por fotones, como el interior de las nebulosas, las densas nubes de polvo en el núcleo galáctico y las regiones cercanas a los agujeros negros. La astronomía gravitacional tiene el potencial de utilizarse en paralelo con la astronomía electromagnética para estudiar el universo con mayor resolución. Mediante un enfoque conocido como astronomía multimensajero , los datos de ondas gravitacionales se combinan con datos de otras longitudes de onda para obtener una imagen más completa de los fenómenos astrofísicos. La astronomía de ondas gravitacionales ayuda a comprender el universo primitivo , a poner a prueba las teorías de la gravedad y a revelar la distribución de la materia oscura y la energía oscura . En particular, puede ayudar a determinar la constante de Hubble , que describe la tasa de expansión acelerada del universo. Todo esto abre las puertas a una física más allá del Modelo Estándar (BSM).

Entre los desafíos que persisten en este campo se incluyen la interferencia del ruido, la falta de instrumentos ultrasensibles y la detección de ondas de baja frecuencia. Los detectores terrestres se enfrentan a problemas con las vibraciones sísmicas producidas por perturbaciones ambientales y la limitación de la longitud de sus brazos debido a la curvatura de la superficie terrestre. En el futuro, el campo de la astronomía de ondas gravitacionales intentará desarrollar detectores mejorados y observatorios de próxima generación, junto con posibles detectores espaciales como LISA ( Laser Interferometer Space Antenna ). LISA podrá escuchar fuentes distantes como agujeros negros supermasivos compactos en el núcleo galáctico y agujeros negros primordiales, así como fuentes de señales sensibles a baja frecuencia, como la fusión de enanas blancas binarias y fuentes del universo primitivo. [ 2 ]

Ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales son ondas con la intensidad de la gravedad generadas por las masas aceleradas de un sistema binario orbital que se propagan desde su fuente a la velocidad de la luz . Fueron propuestas por primera vez por Oliver Heaviside en 1893 y posteriormente por Henri Poincaré en 1905 como ondas similares a las electromagnéticas, pero su equivalente gravitacional.

Las ondas gravitacionales fueron predichas en 1916 por Albert Einstein basándose en su teoría general de la relatividad como ondulaciones en el espacio-tiempo . Posteriormente, rechazó la existencia de las ondas gravitacionales. [ 3 ] Las ondas gravitacionales transportan energía como radiación gravitacional, una forma de energía radiante similar a la radiación electromagnética . La ley de gravitación universal de Newton , parte de la mecánica clásica , no contempla su existencia, ya que dicha ley se basa en la suposición de que las interacciones físicas se propagan instantáneamente (a velocidad infinita), lo que demuestra una de las maneras en que los métodos de la física newtoniana son incapaces de explicar los fenómenos asociados con la relatividad.

La primera evidencia indirecta de la existencia de ondas gravitacionales provino en 1974 de la observación del decaimiento orbital del púlsar binario Hulse-Taylor , que coincidió con el decaimiento predicho por la relatividad general a medida que la energía se pierde en radiación gravitacional. En 1993, Russell A. Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr. recibieron el Premio Nobel de Física por este descubrimiento.

La observación directa de ondas gravitacionales no se produjo hasta 2015, cuando los detectores de ondas gravitacionales LIGO, ubicados en Livingston (Luisiana) y Hanford (Washington), recibieron una señal generada por la fusión de dos agujeros negros. Posteriormente , Rainer Weiss , Kip Thorne y Barry Barish recibieron el Premio Nobel de Física de 2017 por su contribución a la detección directa de ondas gravitacionales.

En la astronomía de ondas gravitacionales, las observaciones de ondas gravitacionales se utilizan para inferir datos sobre sus fuentes. Entre las fuentes que se pueden estudiar de esta manera se incluyen los sistemas estelares binarios compuestos por enanas blancas , estrellas de neutrones y agujeros negros ; eventos como las supernovas ; y la formación del universo primitivo poco después del Big Bang .

Instrumentos para diferentes frecuencias

La colaboración entre detectores ayuda a recopilar información única y valiosa, debido a las diferentes especificaciones y sensibilidades de cada uno.

Curvas de ruido para una selección de detectores de ondas gravitacionales en función de la frecuencia. A frecuencias muy bajas se encuentran los conjuntos de cronometraje de púlsares , a frecuencias bajas los detectores espaciales y a frecuencias altas los detectores terrestres. También se muestra la deformación característica de posibles fuentes astrofísicas. Para que una señal sea detectable, su deformación característica debe estar por encima de la curva de ruido. [ 4 ]

Frecuencia alta

Existen varios interferómetros láser terrestres que abarcan varios kilómetros, entre ellos: los dos detectores del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) en Washington y Luisiana, EE. UU.; Virgo , en el Observatorio Gravitacional Europeo en Italia; GEO600 en Alemania, y el Detector de Ondas Gravitacionales de Kamioka (KAGRA) en Japón. Si bien LIGO, Virgo y KAGRA han realizado observaciones conjuntas hasta la fecha, GEO600 se utiliza actualmente para pruebas debido a la menor sensibilidad de sus instrumentos y no ha participado recientemente en observaciones conjuntas con los demás.

En 2015, el proyecto LIGO fue el primero en observar directamente ondas gravitacionales usando interferómetros láser. [ 5 ] [ 6 ] Los detectores LIGO observaron ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros de masa estelar , coincidiendo con las predicciones de la relatividad general . [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Estas observaciones demostraron la existencia de sistemas binarios de agujeros negros de masa estelar, y fueron la primera detección directa de ondas gravitacionales y la primera observación de una fusión de agujeros negros binarios. [ 10 ] Este hallazgo ha sido caracterizado como revolucionario para la ciencia, debido a la verificación de nuestra capacidad de usar la astronomía de ondas gravitacionales para avanzar en nuestra búsqueda y exploración de la materia oscura y el big bang .

La detección de un evento por tres o más detectores permite estimar la ubicación celeste a partir de los retrasos relativos.

Baja frecuencia

Un método alternativo de observación es el uso de redes de cronometraje de púlsares (PTA). Existen tres consorcios: el European Pulsar Timing Array (EPTA), el North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) y el Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), que cooperan como el International Pulsar Timing Array . Estos utilizan radiotelescopios existentes, pero dado que son sensibles a frecuencias en el rango de los nanohercios, se necesitan muchos años de observación para detectar una señal y la sensibilidad del detector mejora gradualmente. Los límites actuales se aproximan a los esperados para fuentes astrofísicas. [ 11 ]

Gráfico de correlación entre púlsares observados por NANOGrav (2023) frente a la separación angular entre púlsares, comparado con un modelo teórico de Hellings-Downs (púrpura discontinuo) y si no hubiera fondo de ondas gravitacionales (verde continuo) [ 12 ] [ 13 ]

En junio de 2023, cuatro colaboraciones de PTA, las tres mencionadas anteriormente y el Chinese Pulsar Timing Array, proporcionaron evidencia independiente pero similar de un fondo estocástico de ondas gravitacionales de nanohertz. [ 14 ] Cada una proporcionó una primera medición independiente de la curva teórica de Hellings-Downs , es decir, la correlación cuadrupolar entre dos púlsares en función de su separación angular en el cielo, que es una señal reveladora del origen de ondas gravitacionales del fondo observado. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Las fuentes de este fondo aún no se han identificado, aunque los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos son los candidatos más probables. [ 19 ]

Frecuencias intermedias

Más adelante, existe la posibilidad de utilizar detectores espaciales. La Agencia Espacial Europea ha seleccionado una misión de ondas gravitacionales para su misión L3, cuyo lanzamiento está previsto para la década de 2030; el concepto actual es la Antena Espacial de Interferometría Láser (LISA). [ 20 ] También se encuentra en desarrollo el Observatorio Japonés de Ondas Gravitacionales por Interferometría de Decihercios (DECIGO).

Valor científico

La astronomía se ha basado tradicionalmente en la radiación electromagnética . Originada en la banda visible, a medida que la tecnología avanzó, fue posible observar otras partes del espectro electromagnético , desde las ondas de radio hasta los rayos gamma . Cada nueva banda de frecuencia brindó una nueva perspectiva del Universo y anunció nuevos descubrimientos. [ 21 ] Durante el siglo XX, las mediciones indirectas y posteriormente directas de partículas masivas de alta energía proporcionaron una ventana adicional al cosmos. A finales del siglo XX, la detección de neutrinos solares fundó el campo de la astronomía de neutrinos , brindando una visión de fenómenos previamente inaccesibles, como el funcionamiento interno del Sol . [ 22 ] [ 23 ] La observación de ondas gravitacionales proporciona un medio adicional para realizar observaciones astrofísicas.

Russell Hulse y Joseph Taylor recibieron el Premio Nobel de Física de 1993 por demostrar que la desintegración orbital de un par de estrellas de neutrones, una de ellas un púlsar, se ajusta a las predicciones de la relatividad general sobre la radiación gravitacional. [ 24 ] Posteriormente, se han observado muchos otros púlsares binarios (incluido un sistema de púlsares dobles ), todos ellos conformes a las predicciones de las ondas gravitacionales. [ 25 ] En 2017, el Premio Nobel de Física fue otorgado a Rainer Weiss , Kip Thorne y Barry Barish por su papel en la primera detección de ondas gravitacionales. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]

Las ondas gravitacionales proporcionan información complementaria a la obtenida por otros medios. Al combinar observaciones de un mismo evento realizadas con diferentes métodos, es posible comprender mejor las propiedades de la fuente. Esto se conoce como astronomía multimensajero . Las ondas gravitacionales también pueden utilizarse para observar sistemas invisibles (o prácticamente imposibles de detectar) por otros medios. Por ejemplo, ofrecen un método único para medir las propiedades de los agujeros negros.

Las ondas gravitacionales pueden ser emitidas por muchos sistemas, pero, para producir señales detectables, la fuente debe consistir en objetos extremadamente masivos que se mueven a una fracción significativa de la velocidad de la luz . La principal fuente es un sistema binario de dos objetos compactos . Algunos ejemplos de sistemas son:

  • Los sistemas binarios compactos están formados por dos objetos de masa estelar que orbitan muy cerca, como enanas blancas , estrellas de neutrones o agujeros negros . Los sistemas binarios más amplios, que tienen frecuencias orbitales más bajas, son una fuente para detectores como LISA . [ 29 ] [ 30 ] Los sistemas binarios más cercanos producen una señal para detectores terrestres como LIGO . [ 31 ] Los detectores terrestres podrían detectar sistemas binarios que contengan un agujero negro de masa intermedia de varios cientos de masas solares. [ 32 ] [ 33 ]
  • Los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos consisten en dos agujeros negros con masas de 10⁵ a 10⁹ masas solares . Los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de las galaxias. Cuando las galaxias se fusionan, se espera que sus agujeros negros supermasivos centrales también se fusionen. [ 34 ] Estas son potencialmente las señales de ondas gravitacionales más intensas. Los sistemas binarios más masivos son una fuente para los PTA . [ 35 ] Los sistemas binarios menos masivos (alrededor de un millón de masas solares) son una fuente para detectores espaciales como LISA . [ 36 ]
  • Sistemas de relación de masa extrema de un objeto compacto de masa estelar orbitando un agujero negro supermasivo. [ 37 ] Estas son fuentes para detectores como LISA . [ 36 ] Los sistemas con órbitas altamente excéntricas producen un estallido de radiación gravitacional al pasar por el punto de máxima aproximación; [ 38 ] los sistemas con órbitas casi circulares, que se esperan hacia el final de la espiral, emiten continuamente dentro de la banda de frecuencia de LISA. [ 39 ] Las espirales de relación de masa extrema se pueden observar en muchas órbitas. Esto las convierte en excelentes sondas de la geometría del espaciotiempo de fondo , lo que permite pruebas de precisión de la relatividad general . [ 40 ]

Además de los archivos binarios, existen otras fuentes potenciales:

Las ondas gravitacionales interactúan débilmente con la materia, lo que dificulta su detección. Esto también significa que pueden viajar libremente por el Universo y no son absorbidas ni dispersadas como la radiación electromagnética. Por lo tanto, es posible observar el centro de sistemas densos, como los núcleos de las supernovas o el centro galáctico . También es posible observar épocas más antiguas que con la radiación electromagnética, ya que el universo primitivo era opaco a la luz antes de la recombinación , pero transparente a las ondas gravitacionales. [ 46 ]

La capacidad de las ondas gravitacionales para propagarse libremente a través de la materia implica que los detectores de ondas gravitacionales , a diferencia de los telescopios , no apuntan a un único campo de visión, sino que abarcan todo el cielo. Los detectores son más sensibles en algunas direcciones que en otras, razón por la cual resulta beneficioso contar con una red de detectores. [ 47 ] La direccionalidad también es deficiente debido al reducido número de detectores.

En la inflación cósmica

La inflación cósmica , un período hipotético en el que el universo se expandió rápidamente durante los primeros 10⁻³⁶ segundos  después del Big Bang , habría dado lugar a ondas gravitacionales; que habrían dejado una huella característica en la polarización de la radiación CMB. [ 48 ] [ 49 ]

Es posible calcular las propiedades de las ondas gravitacionales primordiales a partir de mediciones de los patrones en la radiación de microondas , y utilizar esos cálculos para aprender sobre el universo primitivo.

Desarrollo

Sala de control de LIGO Hanford

Como área de investigación joven, la astronomía de ondas gravitacionales aún está en desarrollo; sin embargo, existe consenso dentro de la comunidad astrofísica de que este campo evolucionará hasta convertirse en un componente establecido de la astronomía multimensajero del siglo XXI . [ 50 ]

Las observaciones de ondas gravitacionales complementan las observaciones en el espectro electromagnético . [ 51 ] [ 50 ] Estas ondas también prometen proporcionar información de maneras que no son posibles mediante la detección y el análisis de ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas pueden ser absorbidas y reemitidas de formas que dificultan la extracción de información sobre la fuente. Sin embargo, las ondas gravitacionales interactúan débilmente con la materia, lo que significa que no se dispersan ni se absorben. Esto debería permitir a los astrónomos observar el centro de una supernova, nebulosas estelares e incluso núcleos galácticos en colisión de formas novedosas.

Los detectores terrestres han proporcionado nueva información sobre la fase de espiral y las fusiones de sistemas binarios de dos agujeros negros de masa estelar , y la fusión de dos estrellas de neutrones . También podrían detectar señales de supernovas de colapso de núcleo y de fuentes periódicas como púlsares con pequeñas deformaciones. Si hay algo de cierto en la especulación sobre ciertos tipos de transiciones de fase o estallidos de torsión de largas cuerdas cósmicas en el universo muy temprano (en tiempos cósmicos alrededor de 10 −25 segundos), estos también podrían ser detectables. [ 52 ] Los detectores espaciales como LISA deberían detectar objetos como sistemas binarios que consisten en dos enanas blancas y estrellas AM CVn (una enana blanca que acrecienta materia de su compañera binaria, una estrella de helio de baja masa), y también observar las fusiones de agujeros negros supermasivos y la espiral de objetos más pequeños (entre una y mil masas solares ) en dichos agujeros negros. LISA también debería poder escuchar el mismo tipo de fuentes del universo primitivo que los detectores terrestres, pero a frecuencias aún más bajas y con una sensibilidad mucho mayor. [ 53 ]

La detección de ondas gravitacionales emitidas es una tarea difícil. Requiere láseres ultraestables de alta calidad y detectores calibrados con una sensibilidad de al menos 2·10 −22  Hz −1/2, como se muestra en el detector terrestre GEO600. [ 54 ] También se ha propuesto que, incluso en el caso de grandes eventos astronómicos, como explosiones de supernovas, estas ondas podrían degradarse a vibraciones tan pequeñas como el diámetro atómico. [ 55 ]

Determinar la ubicación de donde provienen las ondas gravitacionales también es un desafío. Pero las ondas desviadas por lentes gravitacionales combinadas con aprendizaje automático podrían facilitar y hacer más preciso el proceso. [ 56 ] Así como la luz de la supernova SN Refsdal fue detectada por segunda vez casi un año después de su descubrimiento inicial, debido a que las lentes gravitacionales enviaron parte de la luz por una trayectoria diferente a través del universo, el mismo enfoque podría usarse para las ondas gravitacionales. [ 57 ] Aunque todavía se encuentra en una etapa temprana, una técnica similar a la triangulación utilizada por los teléfonos celulares para determinar su ubicación en relación con los satélites GPS ayudará a los astrónomos a rastrear el origen de las ondas. [ 58 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Thorne, Kip S. (1995), "Radiación gravitacional", Astrofísica de partículas y nuclear y cosmología en el próximo milenio : 160, arXiv : gr-qc/9506086 , Bibcode : 1995pnac.conf..160T
  • Astronomía de Ondas Gravitacionales , Instituto Max Planck de Física Gravitacional, archivado del original el 6 de febrero de 2013 , consultado el 24 de enero de 2013.
  • Schutz, BF (1999), "Astronomía de ondas gravitacionales", Classical and Quantum Gravity , 16 (12A): A131– A156, arXiv : gr-qc/9911034 , Bibcode : 1999CQGra..16A.131S , doi : 10.1088/0264-9381/16/12A/307 , S2CID 19021009 
  • Revista LIGO , Colaboración Científica LIGO
  • Seifert F.; Kwee P.; Heurs M.; Willke B.; Danzmann K. (2006), GEO600 Sensetivity , archivado del original el 23 de diciembre de 2009.
  • Colaboración científica LIGO
  • AstroGravS: Archivo de fuentes astrofísicas de ondas gravitacionales
  • Vídeo (04:36) – Detección de una onda gravitacional , Dennis Overbye , NYT (11 de febrero de 2016).
  • Vídeo (71:29) – Conferencia de prensa en la que se anuncia el descubrimiento: "LIGO detecta ondas gravitacionales" , Fundación Nacional de Ciencias (11 de febrero de 2016).
  • Astronomía de ondas gravitacionales