Hay sonido en el espacio, gracias a las ondas gravitacionales
La fusión de agujeros negros es una clase de objetos que crea ondas gravitacionales de ciertas frecuencias… y amplitudes. Gracias a detectores como LIGO, podemos «escuchar» estos sonidos cuando se producen.
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
Durante mucho tiempo se ha dicho que no hay sonido en el espacio, y eso es cierto, hasta cierto punto. El sonido convencional requiere un medio para viajar, y se crea cuando las partículas se comprimen y rarifican, haciendo cualquier cosa, desde un fuerte «bang» para un solo pulso hasta un tono consistente para patrones repetitivos. En el espacio, donde hay tan pocas partículas que cualquier señal de este tipo se extingue, incluso las erupciones solares, las supernovas, las fusiones de agujeros negros y otras catástrofes cósmicas se silencian antes de ser escuchadas. Pero hay otro tipo de compresión y rarefacción que no requiere nada más que el tejido del propio espacio para viajar: las ondas gravitacionales. Gracias a los primeros resultados positivos de detección de LIGO, estamos escuchando el Universo por primera vez.
SXS, el proyecto de Simulación de Espacios Extremos (SXS) (http://www.black-holes.org)
NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomía / Michael Kramer
Estas ondas son enloquecedoramente débiles, y sus efectos sobre los objetos del espaciotiempo son estupendamente diminutos. Pero si se sabe escucharlas -al igual que los componentes de una radio saben escuchar esas ondas de luz de larga frecuencia- se pueden detectar estas señales y oírlas como se oye cualquier otro sonido. Con una amplitud y una frecuencia, no son diferentes de cualquier otra onda. La Relatividad General hace predicciones explícitas sobre cómo deben sonar estas ondas, siendo las señales generadoras de ondas más grandes las más fáciles de detectar. ¿Las ondas de mayor amplitud suenan todas? Es el «chirrido» inspiral y de fusión de dos agujeros negros que entran en espiral el uno en el otro.
En septiembre de 2015, apenas unos días después de que el avanzado LIGO comenzara a recoger datos por primera vez, se detectó una señal grande e inusual. Sorprendió a todo el mundo, porque habría transportado tanta energía en tan solo un breve estallido de 200 milisegundos, que habría eclipsado a todas las estrellas del Universo observable juntas. Sin embargo, esa señal resultó ser robusta, y la energía de ese estallido provino de dos agujeros negros -de 36 y 29 masas solares- que se fusionaron en uno solo de 62 masas solares. ¿Esas tres masas solares que faltan? Se convirtieron en energía pura: ondas gravitacionales que ondulan a través del tejido del espacio. Ese fue el primer evento que LIGO detectó.
Observación de ondas gravitacionales procedentes de una fusión de agujeros negros binarios B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
Ahora ha pasado más de un año, y LIGO está actualmente en su segunda ejecución. No solo se han detectado otras fusiones de agujeros negros con agujeros negros, sino que el futuro de la astronomía de ondas gravitacionales es brillante, ya que los nuevos detectores abrirán nuestros oídos a nuevos tipos de sonidos. Los interferómetros espaciales, como LISA, tendrán líneas de base más largas y escucharán sonidos de menor frecuencia: sonidos como los de las fusiones de estrellas de neutrones, agujeros negros supermasivos que se dan un festín y fusiones con masas muy desiguales. Los conjuntos de cronometraje de púlsares pueden medir frecuencias aún más bajas, como las órbitas que tardan años en completarse, como el par de agujeros negros supermasivos: OJ 287. Y las combinaciones de nuevas técnicas buscarán las ondas gravitacionales más antiguas de todas, las ondas relictas predichas por la inflación cósmica, hasta el principio de nuestro Universo.
Fundación Nacional de la Ciencia (NASA, JPL, Fundación Keck, Fundación Moore, relacionados) – Programa BICEP2 financiado; modificaciones de E. Siegel
Hay mucho que escuchar, y apenas hemos empezado a escuchar por primera vez. Afortunadamente, la astrofísica Janna Levin -autora del fantástico libro Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space- está preparada para dar la conferencia pública en el Perimeter Institute esta noche, 3 de mayo, a las 19:00 horas del este / 16:00 horas del pacífico, y será transmitida en vivo aquí y blogueada por mí en tiempo real. Acompáñanos entonces para saber aún más sobre este increíble tema, y no puedo esperar a escuchar su charla.
El blog en directo comenzará unos minutos antes de las 4 PM del Pacífico; ¡únete a nosotros aquí y síguelo!
La deformación del espaciotiempo, en la imagen relativista general, por las masas gravitacionales.
3:50 PM: Faltan diez minutos para la hora del espectáculo y, para celebrarlo, aquí van diez datos curiosos (o todos los que podamos meter) sobre la gravedad y las ondas gravitacionales.
1.) En lugar de la «acción a distancia», en la que se ejerce una fuerza invisible entre masas, la relatividad general dice que la materia y la energía deforman el tejido del espaciotiempo, y ese espaciotiempo deformado es lo que se manifiesta como gravitación.
2.) En lugar de viajar a velocidad infinita, la gravitación sólo viaja a la velocidad de la luz.
3.) Esto es importante, porque significa que si se produce algún cambio en la posición, la configuración, el movimiento, etc. de un objeto masivo, los consiguientes cambios gravitatorios sólo se propagan a la velocidad de la luz.
3:54 PM: 4.) Esto significa que las ondas gravitacionales, por ejemplo, sólo pueden propagarse a la velocidad de la luz. Cuando «detectamos» una onda gravitacional, estamos detectando la señal de cuando esa configuración de masa cambió.
5.) La primera señal detectada por LIGO se produjo a una distancia de aproximadamente 1.300 millones de años luz. El Universo era aproximadamente un 10% más joven de lo que es hoy cuando se produjo esa fusión.
Las ondas gravitacionales son ondas en el espaciotiempo.
6.) Si la gravitación viajara a velocidad infinita, las órbitas planetarias serían completamente inestables. El hecho de que los planetas se muevan en elipses alrededor del Sol obliga a que, si la Relatividad General es correcta, la velocidad de la gravedad debe ser igual a la velocidad de la luz con una precisión de alrededor del 1%.
3:57 PM: 7.) Hay muchísimas más señales de ondas gravitacionales que las que LIGO ha visto hasta ahora; sólo hemos detectado la señal más fácil de detectar que existe.
8.) Lo que hace que una señal sea «fácil» de ver es una combinación de su amplitud, es decir, cuánto puede deformar una longitud de trayectoria, o una distancia en el espacio, así como su frecuencia.
9.) Debido a que los brazos de LIGO tienen sólo 4 kilómetros de largo, y los espejos reflejan la luz miles de veces (pero no más), eso significa que LIGO sólo puede detectar frecuencias de 1 Hz o más rápidas.
10.) Para señales más lentas, necesitamos brazos de palanca más largos y mayores sensibilidades, y eso significará ir al espacio. Ese es el futuro de la astronomía de ondas gravitacionales
4:01 PM: ¡Lo hemos conseguido! ¡Es hora de empezar y presentar a Janna Levin! (Pronunciad «JAN-na», no «YON-na», por si os lo estábais preguntando.)
La inspiración y la fusión de la primera pareja de agujeros negros jamás observada directamente.
4:05 PM: Aquí está el gran anuncio/disparo: el primer registro directo de la primera onda gravitacional. Han tenido que pasar 100 años desde que Einstein planteara por primera vez la relatividad general, ¡y está tocando una grabación! ¡Asegúrate de ir a escuchar! ¿Qué significa «oír» un sonido en el espacio, después de todo, y por qué es un sonido? Ese es el propósito, dice, de su charla.
Las galaxias Maffei 1 y Maffei 2, en el plano de la Vía Láctea, sólo pueden ser reveladas viendo… a través del polvo de la Vía Láctea. A pesar de ser unas de las grandes galaxias más cercanas de todas, no fueron descubiertas hasta mediados del siglo XX.
Misión WISE; NASA/JPL-Caltech/UCLA
4:08 PM: Si consideras lo que hay ahí fuera en el Universo, no teníamos forma de saber nada de esto en la época de Galileo. Pensábamos en las manchas solares, en Saturno, etc, y éramos completamente incapaces de concebir las grandes escalas o distancias cósmicas. Olvídate de «concebir otras galaxias», ¡no habíamos concebido nada de esto!
4:10 PM: ¡Janna muestra uno de mis vídeos favoritos (que reconozco) del Sloan Digital Sky Survey! Hicieron un estudio de 400.000 de las galaxias más cercanas y las mapearon en tres dimensiones. Así es como se ve nuestro Universo (cercano), y como puedes ver, ¡realmente es en su mayoría espacio vacío!
El (moderno) sistema de clasificación espectral Morgan-Keenan, con el rango de temperatura de cada clase de estrella… mostrado encima, en kelvin.
4:12 PM: Ella hace un punto realmente grande que ella glosa totalmente: sólo alrededor de 1 en 1000 estrellas se convertirá en un agujero negro. Hay más de 400 estrellas en un radio de 30 años luz de nosotros, y cero de ellas son estrellas O o B, y cero de ellas se han convertido en agujeros negros. Estas estrellas más azules, masivas y de vida más corta son las únicas que se convertirán en agujeros negros.
El usuario de Wikimedia Commons Markus Poessel, retocado por Pbroks13
4:15 PM: Cuando consideras «de dónde vino la teoría de Einstein», Janna hace un gran comentario: la idea del principio de equivalencia. Si tienes gravedad, puedes considerar que te sientes «pesado» en tu silla, por ejemplo. Pero esta reacción que tienes es exactamente la misma que sentirías si estuvieras acelerando, en lugar de gravitando. No es la gravedad lo que sientes, ¡son los efectos de la materia que te rodea!
4:17 PM: La banda OKGO hizo un video volando en el cometa del vómito. Janna no puede mostrarlo entero, con audio, por motivos de copyright, y lo recomienda encarecidamente. Por suerte para vosotros, gracias a internet… ¡aquí está! ¡Disfrutadlo con calma!
Recorrer una vez la órbita de la Tierra en una trayectoria alrededor del Sol es un viaje de 940 millones de kilómetros.
4:19 PM: Hay otra gran revelación para la gravedad: la forma en que entendemos cómo funcionan las cosas viene de ver cómo caen. La Luna «cae» alrededor de la Tierra; Newton se dio cuenta de ello. Pero la Tierra cae alrededor del Sol; el Sol «cae» alrededor de la galaxia; y los átomos «caen» aquí en la Tierra. Pero la misma regla se aplica a todos ellos, siempre que estén en caída libre. Asombroso!
Los agujeros negros son algo con lo que el Universo no nació, pero que ha ido adquiriendo con el tiempo. Ellos… ahora dominan la entropía del Universo.
Ute Kraus, grupo de educación física Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (fondo)
4:21 PM: He aquí una divertida revelación: deja de pensar en un agujero negro como materia colapsada y aplastada, aunque sea así como se originó. En su lugar, piensa en él como una simple región de espacio vacío con fuertes propiedades gravitacionales. De hecho, si todo lo que se hiciera fuera asignar «masa» a esta región del espacio, eso definiría perfectamente un agujero negro de Schwarzschild (no cargado y no giratorio).
El Observatorio Chandra de rayos X de la NASA
4:23 PM: Si cayeras en un agujero negro de la masa del Sol, tendrías aproximadamente un microsegundo, desde que cruzaras el horizonte de sucesos (según Janna) hasta que murieras aplastado en la singularidad. Esto es consistente con lo que una vez calculé, donde, para el agujero negro en el centro de la Vía Láctea, tendríamos unos 10 segundos. Dado que el agujero negro de la Vía Láctea es 4.000.000 de veces más masivo que nuestro Sol, ¡las matemáticas funcionan!
4:26 PM: ¿Cómo se detectaría una onda gravitacional? Sinceramente, sería como estar en la superficie del océano; te balancearías arriba y abajo a lo largo de la superficie del espacio, y hubo una gran discusión en la comunidad sobre si estas ondas eran reales o no. No fue hasta que Joe Weber llegó y decidió intentar medir estas ondas gravitacionales, utilizando un dispositivo fenomenal -una barra de aluminio- que vibraba si una onda ondulante «arrancaba» la barra muy ligeramente.
Weber vio muchas señales de este tipo que identificó con ondas gravitacionales, pero éstas, por desgracia, nunca fueron reproducidas ni verificadas. Fue, a pesar de toda su inteligencia, un experimentador poco cuidadoso.
4:29 PM: Hay una buena pregunta de Jon Groubert en twitter: «Tengo una pregunta sobre algo que ha dicho: hay algo dentro de un agujero negro, ¿no? Como una estrella de neutrones pesada». Debería haber una singularidad, que es puntual (para una singularidad no giratoria) o un anillo unidimensional (para una giratoria), pero no materia condensada, colapsada y tridimensional.
¿Por qué no? Pero las partículas sólo pueden transmitir fuerzas a la velocidad de la luz. Pero nada, ni siquiera la luz, puede moverse «hacia afuera» hacia la salida de un agujero negro; todo se mueve hacia la singularidad. Así que nada puede sostenerse, y todo colapsa en la singularidad. Triste, pero la física lo hace inevitable.
De izquierda a derecha: los dos detectores LIGO (en Hanford y Livingston, EEUU) y el detector Virgo… (Cascina, Italia).
© Laboratorio LIGO (las dos primeras imágenes) y Virgo / Nicola Baldocchi 2015
4:32 PM: Tras los fracasos de Weber (y su caída de la fama), la idea de LIGO llegó de la mano de Rai Weiss en los años 70. LIGO tardó más de 40 años en materializarse (y más de 1.000 personas en hacerlo realidad), pero lo más fantástico fue que fuera posible experimentalmente. Haciendo dos brazos de palanca muy largos, se podía ver el efecto de una onda gravitacional que pasaba.
4:34 PM: Este es mi vídeo favorito que ilustra lo que hace una onda gravitacional. Mueve el propio espacio (y todo lo que hay en él) hacia delante y hacia atrás en una cantidad ínfima. Si tienes un interferómetro láser instalado (como LIGO), puede detectar estas vibraciones. Pero si estuvieras lo suficientemente cerca y tus oídos fueran lo suficientemente sensibles, ¡podrías sentir este movimiento en tu tímpano!
4:35 PM: Tengo unos auriculares muy buenos, Perimeter, pero desgraciadamente no puedo escuchar las diferentes señales del modelo de ondas gravitacionales que Janna está reproduciendo!
4:38 PM: Es curioso pensar que este es el vacío más avanzado del mundo, dentro de los detectores LIGO. Sin embargo, ahí debajo hay pájaros, ratas, ratones, etc., que se abren paso mordiendo casi la cámara de vacío por la que viaja la luz. Pero si el vacío se hubiera roto (es constante desde 1998), el experimento habría terminado. En Luisiana, unos cazadores dispararon contra los túneles de LIGO. Es espeluznante lo sensible y caro que es este equipo, pero también lo frágil que es todo.
4:41 PM: Janna está haciendo un gran trabajo contando esta historia de una manera suspensa pero muy humana. Sólo vimos las últimas órbitas de dos agujeros negros en órbita, drásticamente ralentizados en la película anterior. Estaban a sólo unos cientos de kilómetros de distancia, esas cuatro órbitas finales tardaron 200 milisegundos, y esa es la totalidad de la señal que vio LIGO.
4:43 PM: Si tienes problemas para escuchar/escuchar los eventos de la charla, escucha este vídeo (arriba), tanto en tono natural como aumentado. Los agujeros negros más pequeños (aproximadamente 8 y 13 masas solares) del 26 de diciembre de 2015, son a la vez más silenciosos y de tono más alto que los más grandes (29 y 36 masas solares) del 14 de septiembre del mismo año.
4:46 PM: Sólo una pequeña corrección: Janna dice que este fue el evento más potente detectado desde el Big Bang. Y eso sólo es técnicamente cierto, debido a los límites de nuestra detección.
Cuando tenemos cualquier fusión de agujeros negros, aproximadamente el 10% de la masa del agujero negro menos masivo de un par de fusiones se convierte en energía pura a través de Einstein E = mc2. 29 masas solares es mucho, pero habrá agujeros negros de cientos de millones o incluso miles de millones de masas solares que se hayan fusionado. Y tenemos pruebas.
4:49 PM: Este es el DO 287, donde un agujero negro de 150 millones de masas solares orbita un agujero negro de ~18 mil millones de masas solares. Una órbita completa tarda 11 años en producirse, y la Relatividad General predice una precesión de 270 grados por órbita aquí, en comparación con los 43 segundos de arco por siglo de Mercurio.
4:51 PM: Janna hizo un trabajo increíble al terminar a tiempo aquí; nunca he visto una charla de una hora realmente terminar después de 50 minutos en una conferencia pública del Perímetro. ¡Wow!
La Tierra vista desde una composición de imágenes de satélite de la NASA desde el espacio a principios de la década de 2000.
4:52 PM: ¿Qué pasaría si la Tierra fuera absorbida por un agujero negro? (P&Una pregunta de Max.) Aunque Janna está dando una gran respuesta, me gustaría señalar que, desde el punto de vista de las ondas gravitacionales, la Tierra sería destrozada, y obtendríamos una señal de onda «emborronada», que sería una señal mucho más ruidosa y estática. Una vez que la Tierra fuera engullida, el horizonte de sucesos crecería sólo un poco, ya que una tres millonésimas de masa solar extra aumentaría el radio del agujero negro sólo en esa pequeña cantidad correspondiente.
4:55 PM: Qué charla tan divertida, una gran y ágil sesión de Q&A, y una gran experiencia en general. Disfrutadla una y otra vez, porque el vídeo de la charla ya está incrustado como permalink. Y gracias por sintonizarla