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Astronomía de ondas gravitacionales

Datos sobre la primera observación de ondas gravitacionales de LIGO y el interferómetro Virgo

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 pequeñas distorsiones u ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por la aceleración de objetos masivos. Son producidas 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 temprano poco después del Big Bang . Estudiarlas ofrece una nueva forma de observar el universo, proporcionando información valiosa sobre el comportamiento de la materia en condiciones extremas. De manera similar a la radiación electromagnética (como las ondas de luz, las ondas de radio, la radiación infrarroja y los rayos X) que implica el transporte de energía a través de 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 luego 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 .

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 en 1993 por su trabajo. En 2015, casi un siglo después del pronóstico 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 y abrió 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. Las ondas gravitacionales ahora se detectan utilizando interferometría láser , que mide pequeños cambios en la longitud de dos brazos perpendiculares causados ​​​​por ondas que pasan. Observatorios como LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser), Virgo y KAGRA (Detector de ondas gravitacionales de Kamioka) utilizan esta tecnología para capturar las débiles señales de eventos cósmicos distantes. Los cofundadores de LIGO, Barry C. Barish , Kip S. Thorne y Rainer Weiss , recibieron el Premio Nobel de Física 2017 por sus innovadoras contribuciones a la astronomía de ondas gravitacionales.

Cuando se observan objetos astronómicos distantes mediante ondas electromagnéticas, diferentes fenómenos como dispersión, absorción, reflexión, refracción, etc. provocan pérdida de información. Quedan varias regiones en el espacio solo parcialmente penetrables por los fotones, como el interior de las nebulosas, las densas nubes de polvo en el núcleo galáctico, las regiones cercanas a los agujeros negros, etc. La astronomía gravitacional tiene el potencial de ser utilizada en paralelo con la astronomía electromagnética para estudiar el universo con una mejor resolución. En un enfoque conocido como astronomía de múltiples mensajeros , los datos de las 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 probar teorías de la gravedad y a revelar la distribución de la materia oscura y la energía oscura . En particular, puede ayudar a encontrar la constante de Hubble , que informa sobre la tasa de expansión acelerada del universo. Todo esto abre las puertas a una física más allá del Modelo Estándar (BSM).

Los desafíos que quedan por resolver en este campo incluyen la interferencia de ruido, la falta de instrumentos ultrasensibles y la detección de ondas de baja frecuencia. Los detectores terrestres enfrentan problemas con las vibraciones sísmicas producidas por perturbaciones ambientales y la limitación de la longitud del brazo de los detectores debido a la curvatura de la superficie de la Tierra. 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 ( Antena Espacial de Interferómetro Láser ). LISA podrá escuchar fuentes distantes como agujeros negros supermasivos compactos en el núcleo galáctico y agujeros negros primordiales, así como fuentes de señales sensibles de baja frecuencia como la fusión de enanas blancas binarias y fuentes del universo temprano. [2]

Introducción

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

Las ondas gravitacionales fueron predichas más tarde en 1916 por Albert Einstein sobre la base de su teoría general de la relatividad como ondulaciones en el espacio-tiempo . Más tarde se negó a aceptar 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 prevé su existencia, ya que esa ley se basa en el supuesto de que las interacciones físicas se propagan instantáneamente (a velocidad infinita), lo que muestra una de las formas 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 se obtuvo en 1974 a partir de la desintegración orbital observada en el púlsar binario Hulse-Taylor , que coincidía con la desintegración predicha 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.

Las ondas gravitacionales no se observaron directamente hasta 2015, cuando una señal generada por la fusión de dos agujeros negros fue captada por los detectores de ondas gravitacionales LIGO en Livingston, Luisiana, y en Hanford, Washington. El Premio Nobel de Física de 2017 fue otorgado posteriormente a Rainer Weiss , Kip Thorne y Barry Barish por su papel en la detección directa de ondas gravitacionales.

En la astronomía de ondas gravitacionales, las observaciones de ondas gravitacionales se utilizan para inferir datos sobre las fuentes de las ondas gravitacionales. Las fuentes que se pueden estudiar de esta manera incluyen sistemas binarios de estrellas 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 y desafíos

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 varios kilómetros, incluidos: los dos detectores del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) en WA y LA, 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 ensayos, debido a la menor sensibilidad de sus instrumentos, y no ha participado en pruebas conjuntas con los demás recientemente.

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 sincronización de púlsares , a frecuencias bajas se encuentran los detectores espaciales y a frecuencias altas se encuentran los detectores terrestres. También se muestra la tensión característica de las posibles fuentes astrofísicas. Para que sea detectable, la tensión característica de una señal debe estar por encima de la curva de ruido. [4]

Frecuencia alta

En 2015, el proyecto LIGO fue el primero en observar directamente ondas gravitacionales utilizando 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 utilizar la astronomía de ondas gravitacionales para progresar en nuestra búsqueda y exploración de la materia oscura y el big bang .

Baja frecuencia

Un medio alternativo de observación es el uso de conjuntos de cronometraje de pulsares (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 como 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 están acercando a los esperados para fuentes astrofísicas. [11]

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

En junio de 2023, cuatro colaboraciones de PTA, las tres mencionadas anteriormente y el Pulsar Timing Array chino, entregaron evidencia independiente pero similar de un fondo estocástico de ondas gravitacionales de nanohercios. [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 un signo revelador del origen de la onda gravitacional del fondo observado. [15] [16] [17] [18] Las fuentes de este fondo aún están por identificar, aunque los binarios de agujeros negros supermasivos son los candidatos más probables. [19]

Frecuencias intermedias

En el futuro, existe la posibilidad de contar con detectores espaciales. La Agencia Espacial Europea ha seleccionado una misión de ondas gravitacionales para su misión L3, cuyo lanzamiento está previsto para 2034; el concepto actual es la Antena Espacial de Interferómetro Láser (eLISA) evolucionada. [20] También se encuentra en desarrollo el Observatorio Japonés de Ondas Gravitacionales con Interferómetro de Decihercios (DECIGO).

Valor científico

La astronomía se ha basado tradicionalmente en la radiación electromagnética . Originada con la banda visible, a medida que la tecnología avanzaba, se hizo posible observar otras partes del espectro electromagnético , desde la radio hasta los rayos gamma . Cada nueva banda de frecuencia dio una nueva perspectiva sobre el Universo y anunció nuevos descubrimientos. [21] Durante el siglo XX, las mediciones indirectas y luego directas de partículas masivas de alta energía proporcionaron una ventana adicional al cosmos. A fines del siglo XX, la detección de neutrinos solares fundó el campo de la astronomía de neutrinos , brindando una perspectiva 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 en 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 doble púlsar ), todos ellos ajustados a las predicciones de 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 proporcionada por otros medios. Al combinar observaciones de un mismo evento realizadas con distintos medios, es posible obtener una comprensión más completa de las propiedades de la fuente. Esto se conoce como astronomía de mensajeros múltiples . 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 estar formada por objetos extremadamente masivos que se mueven a una fracción significativa de la velocidad de la luz . La fuente principal es un sistema binario de dos objetos compactos . Algunos ejemplos de sistemas son:

Además de los binarios, existen otras fuentes potenciales:

Las ondas gravitacionales interactúan débilmente con la materia, lo que las hace difíciles de detectar. También significa que pueden viajar libremente a través del Universo y no son absorbidas ni dispersadas como la radiación electromagnética. Por lo tanto, es posible ver el centro de sistemas densos, como los núcleos de las 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. [46]

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 están orientados a observar un único campo de visión , sino que observan todo el cielo. Los detectores son más sensibles en algunas direcciones que en otras, lo que es una de las razones por las que resulta beneficioso tener una red de detectores. [47] 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; 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 de la radiación de microondas y utilizar esos cálculos para aprender sobre el universo primitivo. [ ¿Cómo? ]

Desarrollo

La sala de control de LIGO en Hanford

Si bien es un campo de investigación joven, la astronomía de ondas gravitacionales aún se encuentra 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 de múltiples mensajeros 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 a través de la detección y el análisis de ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas pueden ser absorbidas y re-irradiadas de maneras que dificultan la extracción de información sobre la fuente. Sin embargo, las ondas gravitacionales solo interactúan débilmente con la materia, lo que significa que 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 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 verdad en la especulación sobre ciertos tipos de transiciones de fase o ráfagas de torceduras 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 binarios que consisten en dos enanas blancas y estrellas AM CVn (una enana blanca que acreta 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 tales agujeros negros. LISA también debería poder escuchar el mismo tipo de fuentes del universo temprano que los detectores terrestres, pero a frecuencias aún más bajas y con una sensibilidad mucho mayor. [53]

Detectar las ondas gravitacionales emitidas es una tarea difícil. Requiere láseres y detectores ultraestables de alta calidad 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 a partir de grandes eventos astronómicos, como explosiones de supernovas, es probable que estas ondas se degraden a vibraciones tan pequeñas como el diámetro de un átomo. [55]

Identificar la ubicación de donde provienen las ondas gravitacionales también es un desafío. Pero las ondas desviadas a través de lentes gravitacionales combinadas con aprendizaje automático podrían hacer que sea más fácil y más preciso. [56] Así como la luz de la supernova SN Refsdal fue detectada por segunda vez casi un año después de su descubrimiento por primera vez, debido a que las lentes gravitacionales enviaron parte de la luz por un camino diferente a través del universo, el mismo enfoque podría usarse para las ondas gravitacionales. [57] Aunque todavía está 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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Lectura adicional

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