LIGO descifrará colisión de hoyos negros

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Mediante la construcción de nuevos modelos teóricos y nuevos observatorios en todo el mundo, investigadores están emprendiendo una nueva búsqueda para determinar exactamente dónde se producen las fusiones de agujeros negros en todo el Universo.

Hace unos mil 200 millones de años, un par de agujeros negros se arremolinaban cada vez más cerca, derramando sacudidas de energía gravitacional antes de colisionar. A pesar de que los agujeros negros probablemente habían orbitado alrededor el uno del otro durante miles de millones de años, los científicos del Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferómetro Láser (LIGO, por sus siglas en inglés) solamente atraparon los 0.2 segundos finales del evento.

Sin embargo, ser testigo de las ondas gravitacionales marcó el comienzo de una nueva era de la astrofísica, por lo que los científicos quieren entender cómo este dúo, y otros similares, llegaron a acabar dando vueltas abrazados.

De acuerdo con la investigadora Astrid Lamberts, cuando LIGO anunció su primera detección de ondas gravitacionales, discutió con entusiasmo los detalles del evento con sus colegas, pero tenía una pregunta: “¿En qué tipo de galaxia se produjo la fusión?”. Lamberts sospechaba que la respuesta podría estar en las grandes masas de los dos agujeros negros –ambos de aproximadamente 30 veces la masa del Sol–, los cuales probablemente se formaron tras la muerte de estrellas de baja metalicidad, estrellas con un menor número de elementos pesados en ellas, llamados metales.

Se sabe que estrellas de baja metalicidad pueblan tanto pequeñas galaxias cercanas como grandes galaxias distantes, pero ella no sabía cuál tendría ventaja en producir una señal LIGO. Así que Lamberts abordó a su colega Philip Hopkins –un experto en evolución de galaxias–, pero éste tampoco pudo hallar una respuesta fácil. El hecho de que no hubiera una solución clara obligó a ambos a escarbar un poco más.

El equipo determinó las características más probables de la galaxia huésped basándose solamente en las masas de los dos agujeros negros. La idea se produjo cuando Lamberts y sus colegas incorporaron un segundo aspecto a su modelo: la ventana de tiempo desde que estas estrellas se forman hasta que los agujeros negros se fusionan. “Si se formaron muy recientemente, aún no habrían tenido tiempo de convertirse en agujeros negros y fusionarse”, dijo Hopkins.

“Y si se formaron hace mucho, se habrían fusionado hace ya mucho tiempo”. En cambio, hay un rango temporal en la que podrían haberse formado estas estrellas. Por lo que el equipo analizó cada uno de esos momentos y determinó qué tipo de las galaxias existentes entonces contenían la mayor cantidad de estrellas de baja metalicidad.

Posibilidades viables

Al final del día, Lamberts y sus colegas encontraron dos posibilidades viables. Las estrellas progenitoras se formaron hace entre 8 mil millones y 10 mil millones de años y se fusionaron en una galaxia tan pesada como la Vía Láctea, o bien se formaron hace entre 5 mil millones y 8 mil millones de años y se fusionaron en una galaxia enana, unas 1 mil veces menos masiva que el Vía Láctea.

Mientras tanto, más allá de los detectores gemelos de LIGO en Luisiana y en el estado de Washington, se están construyendo observatorios de ondas gravitacionales adicionales por todo el mundo para abordar mejor esta misma pregunta.

El detector VIRGO en Italia debería comenzar a operar a principios de 2017, el detector KAGRA en Japón comenzará las observaciones en 2018 y otro detector construido exactamente a imagen de LIGO en la India comenzará tan pronto como 2023. Con las dos primeras detecciones de LIGO, los científicos pudieron localizar la fusión a menos de 600 grados cuadrados del cielo –un área tan grande que contiene decenas de miles de galaxias dentro de ella, que se encuentran a mil 300 millones años luz de distancia aproximadamente–.

Pero con cinco detectores conectados en línea alrededor del mundo, los científicos podrían medir la diferencia en los tiempos de llegada de las ondas gravitacionales a los distintos observatorios para determinar la ubicación de una fusión en unos pocos grados cuadrados en el mejor de los casos, disminuyendo ese rango en un orden de magnitud.

Galaxias candidatas

Incluso, es probable que haya miles de galaxias candidatas que podrían albergar una colisión en particular de agujeros negros. Para determinar definitivamente la ubicación de una colisión de agujeros negros a una sola galaxia, es probable que los científicos tengan que detectar un equivalente electromagnético –un destello de luz, ya sea de rayos X o rayos gamma– que ocurra al mismo tiempo que las olas gravitacionales; entonces, los científicos serían capaces de mirar hacia el punto de origen de esa luz para localizar la galaxia de origen de los agujeros negros.

Por esta razón, con todos los descubrimientos de ondas gravitacionales, los científicos de LIGO envían inmediatamente las coordenadas a decenas de observatorios de todo el mundo para que ellos, también, puedan buscar una señal. “Uno de los principales objetivos científicos para la comunidad de ondas gravitacionales es la capacidad de tamizar a través de nuestros datos casi a tiempo real y rápidamente identificar la ubicación (de una fusión) en el cielo”, expresó David Reitze, director ejecutivo de LIGO.

La carrera por descubrir la ubicación y la historia de fondo de estos pares de agujeros negros es un reto nuevo y emocionante para los muchos científicos que han esperado ansiosamente los primeros descubrimientos de ondas gravitacionales de LIGO.

“Hemos estado vagando por el desierto –si me permite usar la analogía bíblica– durante casi 40 años”, señaló Reitze. “Literalmente fueron unos 40 años entre que LIGO fue concebido hasta que hicimos una detección. Y ahora acabamos de entrar a la tierra prometida. Así que tenemos que explorar la tierra prometida. Quién sabe cuán grande es. Quién sabe lo que encontraremos. Pero estoy seguro de que va a ser emocionante”.

Hipótesis de los investigadores  

De acuerdo con científicos del Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferómetro Láser (LIGO, por sus siglas en inglés), los resultados futuros deberían arrojar luz sobre cómo se formaron los dúos arremolinados de agujeros negros.

Por el momento, hay dos teorías principales: la primera es que las dos estrellas que luego dan origen a los agujeros negros nacen, viven y detonan juntas, siempre unidas en un abrazo arremolinado antes de que finalmente se fusionen como agujeros negros. La otra es que las estrellas progenitoras no nacen juntas, pues mueren y se convierten en agujeros negros lejos el uno del otro, y entonces algo los empuja a un abrazo mutuo.

Determinar qué mecanismo de formación es correcto, probablemente, reducirá la identificación de la galaxia en la que se dio la fusión. Si estos eventos apuntan continuamente a galaxias que quizá contienen un alto número de cúmulos estelares, por ejemplo, donde estirones y empujes gravitacionales pueden fácilmente empujar agujeros negros juntos, entonces es más probable el segundo escenario.

Sin embargo, si estos eventos implican galaxias que contienen muy pocos cúmulos estelares, entonces es más probable que las estrellas hayan estado unidas durante toda su vida.

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