La primera evidencia indirecta de la existencia de ondas gravitacionales surgió en 1974 a partir de la desintegración orbital observada del púlsar binario Hulse-Taylor , que coincidía con la desintegración predicha por la relatividad general a medida que se pierde energía debido a la radiación gravitacional. En 1993, Russell A. Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr. recibieron el Premio Nobel de Física por este descubrimiento.
La colaboración entre detectores ayuda a recopilar información única y valiosa, debido a las diferentes especificaciones y sensibilidad de cada uno. Hay varios interferómetros láser terrestres que abarcan varias millas/kilómetros, entre ellos: los dos detectores del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) en WA y Los Ángeles, EE. UU.; Virgo , en el Observatorio Gravitacional Europeo en Italia; GEO600 en Alemania y el detector de ondas gravitacionales Kamioka (KAGRA) en Japón. Si bien LIGO, Virgo y KAGRA han realizado observaciones conjuntas hasta la fecha, GEO600 se utiliza actualmente para pruebas y ejecuciones de prueba, debido a la menor sensibilidad de sus instrumentos, y no ha participado en ejecuciones conjuntas con los demás recientemente.
Curvas de ruido para una selección de detectores de ondas gravitacionales en función de la frecuencia. En frecuencias muy bajas están los conjuntos de temporización de púlsares , en frecuencias bajas están los detectores espaciales y en las frecuencias altas están los detectores terrestres. También se muestra la tensión característica de posibles fuentes astrofísicas. Para que sea detectable, la tensión característica de una señal debe estar por encima de la curva de ruido. [2]
Alta frecuencia
En 2015, el proyecto LIGO fue el primero en observar directamente ondas gravitacionales mediante interferómetros láser. [3] [4] Los detectores LIGO observaron ondas gravitacionales provenientes de la fusión de dos agujeros negros de masa estelar , coincidiendo con las predicciones de la relatividad general . [5] [6] [7] 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 binaria de agujeros negros. [8] Este hallazgo se ha caracterizado como revolucionario para la ciencia, debido a la verificación de nuestra capacidad de utilizar la astronomía de ondas gravitacionales para progresar en nuestra búsqueda y exploración de la materia oscura y el big bang .
Gráfico de correlación entre púlsares observados por NANOGrav (2023) versus separación angular entre púlsares, en comparación con un modelo teórico de Hellings-Downs (púrpura discontinuo) y si no hubiera fondo de ondas gravitacionales (verde sólido) [10] [11]
En junio de 2023, cuatro colaboraciones de la PTA, las tres mencionadas anteriormente y el Pulsar Timing Array chino, arrojaron evidencia independiente pero similar de un fondo estocástico de ondas gravitacionales de nanohercios. [12] Cada uno 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 un signo revelador del origen de la onda gravitacional del fondo observado. . [13] [14] [15] [16] Las fuentes de este trasfondo aún no se han identificado, aunque los binarios de agujeros negros supermasivos son los candidatos más probables. [17]
Las ondas gravitacionales proporcionan información complementaria a la proporcionada por otros medios. Combinando observaciones de un único evento realizadas utilizando diferentes medios, es posible obtener una comprensión más completa de las propiedades de la fuente. Esto se conoce como astronomía de múltiples mensajeros . Las ondas gravitacionales también se pueden utilizar para observar sistemas que son invisibles (o casi imposibles de detectar) por cualquier otro medio. Por ejemplo, proporcionan un método único para medir las propiedades de los agujeros negros.
Muchos sistemas pueden emitir ondas gravitacionales, 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 fuente principal es un binario de dos objetos compactos . Los sistemas de ejemplo incluyen:
Binarias compactas formadas por dos objetos de masa estelar que orbitan muy cerca, como enanas blancas , estrellas de neutrones o agujeros negros . Las binarias más amplias, que tienen frecuencias orbitales más bajas, son una fuente para detectores como LISA . [27] [28] Los binarios más cercanos producen una señal para detectores terrestres como LIGO . [29] Los detectores terrestres podrían potencialmente detectar binarios que contengan un agujero negro de masa intermedia de varios cientos de masas solares. [30] [31]
Binarios de agujeros negros supermasivos , formados por dos agujeros negros con masas de 10 5 –10 9 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. [32] Estas son potencialmente las señales de ondas gravitacionales más fuertes. Los binarios más masivos son una fuente de PTA . [33] Las binarias menos masivas (alrededor de un millón de masas solares) son una fuente de detectores espaciales como LISA . [34]
Sistemas de relación de masa extrema de un objeto compacto de masa estelar que orbita un agujero negro supermasivo. [35] Estas son fuentes para detectores como LISA . [34] Los sistemas con órbitas altamente excéntricas producen una explosión de radiación gravitacional cuando pasan por el punto de mayor aproximación; [36] 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. [37] Se pueden observar espirales con proporciones de masa extremas en muchas órbitas. Esto los convierte en excelentes sondas de la geometría del espacio-tiempo de fondo , lo que permite realizar pruebas precisas de la relatividad general . [38]
Además de los binarios, existen otras fuentes potenciales:
Las supernovas generan ráfagas de ondas gravitacionales de alta frecuencia que podrían detectarse con LIGO o Virgo . [39]
Las estrellas de neutrones en rotación son una fuente de ondas continuas de alta frecuencia si poseen asimetría axial. [40] [41]
Las cuerdas cósmicas también podrían emitir radiación gravitacional, si es que existen. [43] El descubrimiento de estas ondas gravitacionales confirmaría la existencia de cuerdas cósmicas.
Las ondas gravitacionales interactúan sólo débilmente con la materia. Esto es lo que los hace difíciles de detectar. También significa que pueden viajar libremente por el Universo y no son absorbidos ni dispersados como la radiación electromagnética. Por tanto es posible ver el centro de sistemas densos, como los núcleos de supernovas o el Centro Galáctico . También es posible ver más atrás en el tiempo 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. [44]
La capacidad de las ondas gravitacionales de moverse libremente a través de la materia también significa que los detectores de ondas gravitacionales , a diferencia de los telescopios , no apuntan a observar un único campo de visión sino que observan todo el cielo. Los detectores son más sensibles en algunas direcciones que en otras, razón por la cual resulta beneficioso tener una red de detectores. [45] La direccionalización también es deficiente, debido al pequeño 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; eso habría dejado una huella característica en la polarización de la radiación CMB. [46] [47]
Es posible calcular las propiedades de las ondas gravitacionales primordiales a partir de mediciones de los patrones de la radiación de microondas y utilizar esos cálculos para aprender sobre el universo primitivo. [ ¿cómo? ]
Desarrollo
La sala de control de LIGO Hanford
Como área joven de investigación, la astronomía de ondas gravitacionales todavía está en desarrollo; sin embargo, existe consenso dentro de la comunidad de astrofísica en que este campo evolucionará hasta convertirse en un componente establecido de la astronomía de múltiples mensajeros del siglo XXI . [48]
Las observaciones de ondas gravitacionales complementan las observaciones en el espectro electromagnético . [49] [48] Estas ondas también prometen proporcionar información de formas que no son posibles mediante la detección y el análisis de ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas pueden absorberse y reirradiarse de maneras que dificultan la extracción de información sobre la fuente. Las ondas gravitacionales, sin embargo, interactúan sólo débilmente con la materia, es decir, no se dispersan ni se absorben. Esto debería permitir a los astrónomos ver el centro de una supernova, nebulosas estelares e incluso núcleos galácticos en colisión de nuevas formas.
Los detectores terrestres han proporcionado nueva información sobre la fase inspiracional 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 del núcleo y de fuentes periódicas como púlsares con pequeñas deformaciones. Si hay algo de verdad en las especulaciones sobre ciertos tipos de transiciones de fase o explosiones de retorcimiento de largas cuerdas cósmicas en el universo primitivo (en tiempos cósmicos de alrededor de 10 −25 segundos), también podrían ser detectables. [50] Los detectores espaciales como LISA deberían detectar objetos como binarias formadas por dos enanas blancas y estrellas AM CVn (una enana blanca que acumula materia de su pareja 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. [51]
Detectar ondas gravitacionales emitidas es una tarea difícil. Se trata de 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. [52] También se ha propuesto que incluso en grandes eventos astronómicos, como explosiones de supernovas, es probable que estas ondas se degraden a vibraciones tan pequeñas como un diámetro atómico. [53]
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Astronomía de ondas gravitacionales, Instituto Max Planck de Física Gravitacional, archivado desde el original el 6 de febrero de 2013 , recuperado 24 de enero 2013
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Revista LIGO, Colaboración científica LIGO
Seifert F.; Kwee P.; Heurs M.; Willke B.; Danzmann K. (2006), GEO600 Sensetivity, archivado desde el original el 23 de diciembre de 2009
enlaces externos
Colaboración científica LIGO
AstroGravS: Archivo de fuentes de ondas gravitacionales astrofísicas
Vídeo (04:36) – Detectando una onda gravitacional, Dennis Overbye , NYT (11 de febrero de 2016).
Vídeo (71:29) – Conferencia de prensa anunciando descubrimiento: "LIGO detecta ondas gravitacionales", Fundación Nacional de Ciencias (11 de febrero de 2016).
