Ondas Gravitacionales

La primera detección de ondas gravitacionales por parte de los interferómetros LIGO el 14 de septiembre de 2015 a las 5:51 a.m., hora del Este, generó una gran expectación por la apertura de una nueva era en la observación del universo. Esta imagen publicada en el sitio Cal Tech será indudablemente un ícono para el nuevo campo de observación.

Estos son gráficos de las señales recibidas por los dos interferómetros LIGO en Hanford, Washington y Livingston, Louisiana. Las dos señales estuvieron en excelente acuerdo pero separadas en el tiempo, llegando a Hanford 0,007 segundos después de la detección en Livingston. Correspondiendo a una diferencia de distancia de aproximadamente 2000 km a la velocidad de la luz, esto es consistente con la idea de que la partícula de intercambio, el gravitón, asociada con la gravedad, no tiene masa y por lo tanto la onda de gravedad viaja a la velocidad de la luz.

Imagen cortesía del laboratorio Caltech/MIT/LIGO

Si para describir las señales que se muestran arriba se utilizara una analogía con las ondas de sonido, estas podrían describirse como un "chirrido", ya que comienza con una frecuencia baja y aumenta hasta su terminación. El modelo inicial para la fuente de esta señal es el de dos agujeros negros con masas de aproximadamente 29 y 36 masas solares, que orbitan entre sí hasta que se unen en un solo agujero negro de aproximadamente 62 masas solares. El resto se correspondería con la conversión de aproximadamente 3 masas solares en energía durante este breve evento. Esto está descrito en el sitio Caltech como la "producción de una potencia máxima aproximadamente 50 veces mayor que la del universo visible completo".

Aunque la distancia proyectada tiene grandes márgenes de error, la distancia más probable es de aproximadamente 1,3 x 10⁹ años luz.

Referencias:
Cal Tech, imagen de datos

Comunicado de prensa de Caltech, 11 de febrero de 2016

Guía del educador de LIGO

Einstein y Ondas Gravitacionales

Esta es una breve descripción de la Guia del Educador de LIGO : "Las ondas gravitacionales son 'ondas' en el tejido del espacio-tiempo causadas por masas en aceleración tales como agujeros negros colisionando, estrellas en explosión e incluso el nacimiento del mismo universo. Albert Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales en 1916, derivadas de su Teoría General de la Relatividad. Las matemáticas de Einstein mostraron que los objetos masivos acelerados, interrumpirían el espacio-tiempo de tal manera que se irradiarían de la fuente ondas del espacio distorsionado. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz a través del universo, llevando información sobre sus orígenes, así como pistas sobre la naturaleza de la gravedad en sí misma.

Dos agujeros negros en órbita mutua girarán uno alrededor del otro emitiendo ondas gravitatorias y perdiendo energía orbital como se ilustra a la derecha. Con el tiempo, la pérdida de energía hace que las estrellas se acerquen y orbiten entre sí cada vez más rápido hasta que finalmente se fusionen o combinen. Este tipo de fusión no se ha observado nunca antes directamente, y es el tipo de evento que emitió las ondas gravitacionales detectadas por LIGO el 14 de septiembre de 2015.

Eventos que Conducen a la Señal de Onda Gravitatoria Observada

Estas imágenes descriptivas de la Guía del educador de LIGO representan modelos de los eventos que llevaron a las observaciones LIGO de las ondas gravitatorias el 14 de septiembre de 2015.

Representación del artista del proceso de fusión de dos agujeros negros, acompañado por las formas de onda reales detectadas por los detectores LIGO Hanford y Livingston. Crédito: SSU E/PO Aurore Simonnet

Modelos GW150914. Crédito: LIGO

Las ondas gravitatorias para dos agujeros negros coalescentes se compararon con la señal de onda gravitacional de LIGO y se encontró que eran muy similares.

Comentarios sobre el Modelo del Evento de Onda Gravitacional

El modelo del evento de ondas gravitacionales observado sugiere la unión de dos agujeros negros de 29 y 36 masas solares. Los radios Schwarzschild de esos agujeros negros serían aproximadamente de 86 km y 106 km respectivamente. Antes de fusionarse en un agujero negro, estaban orbitando entre sí en una órbita binaria que se puede modelar en función del período de rotación.

Los tiempos entre los centros de los últimos picos están a escala como se muestra. El artículo de Science News dice que en los 0,2 segundos anteriores a la coalición de los dos cuerpos, la frecuencia aumentó de 17 a 75 revoluciones por segundo.

El modelo sugiere que el agujero negro final tiene aproximadamente 62 masas solares, de modo que 3 masas solares se convirtieron en energía en las ondas gravitacionales. Teniendo en cuenta que aproximadamente 1 gramo de conversión de masa impulsó la bomba de Hiroshima, esto resulta difícil de visualizar. La comparación del equipo fue sugerir que la potencia era más de 50 veces la producción de luz total del universo.

El intervalo de 0,007 segundos entre la detección de las ondas gravitatorias en Livingston y Hanford es bastante significativo. Eso corresponde a unos 2100 km a la velocidad de la luz, por lo que se correlaciona bien con la presunción de que las ondas gravitatorias formadas por gravitones no tienen masa y viajan a la velocidad de la luz.

Ondas Gravitatorias de la Fusión de Estrellas de Neutrones

Imágenes del sitio LIGO.

Del comunicado de prensa del Laboratorio LIGO: "Por primera vez, los científicos han detectado directamente las ondas gravitacionales (ondas en el espacio-tiempo) además de la luz de la espectacular colisión de dos estrellas de neutrones. Esta es la primera vez que un evento cósmico ha sido visto tanto en ondas gravitatorias como en luz. El descubrimiento se realizó utilizando el Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en USA; el detector con base en Europa Virgo; y unos 70 observatorios terrestres y espaciales ".

"A medida que estas estrellas de neutrones formaron espirales juntas, emitieron ondas gravitacionales que fueron detectables durante aproximadamente 100 segundos, cuando colisionaron, se emitió y se vio en la Tierra un destello de luz en forma de rayos gamma unos dos segundos después de las ondas gravitacionales. Días y semanas después del choque, se detectaron otras formas de luz o radiación electromagnética, incluidas ondas de rayos X, ultravioleta, óptica, infrarroja y de radio ".

"La señal gravitacional, llamada GW170817, se detectó por primera vez el 17 de agosto de 2017 a las 8:41 am hora del Este (USA). La detección fue realizada por los dos detectores LIGO idénticos, ubicados en Hanford, Washington, y Livingston, Louisiana. La información proporcionada por el tercer detector, Virgo, situado cerca de Pisa, Italia, permitió una mejora en la localización del evento cósmico. En ese momento, LIGO estaba llegando al final de su segunda ejecución de observación desde que se actualizó en un programa llamado Advanced LIGO, mientras que Virgo había comenzado su primera ejecución después de completar recientemente una actualización conocida como Advanced Virgo ".

Los datos de LIGO indicaron que la fusión se efectuó a una distancia relativamente cercana de unos 130 millones de años luz. Se estimó que los objetos inspiratorios estaban en el rango de 1,1 a 1,6 masas solares, por lo que estaban en el rango de masas de estrellas de neutrones, y no tan grandes como los agujeros negros. Las ráfagas de rayos gamma fueron detectadas por el telescopio espacial Fermi y el observatorio de rayos gamma integrado operado por la Agencia Espacial Europea (ESA). Durante años se ha sospechado que las explosiones cortas de rayos gamma observadas eran producidas por fusiones de estrellas de neutrones, pero esta fue la primera correlación directa.

"Las observaciones hechas por el Observatorio Gemini de EE. UU., el Very Large Telescope europeo y el Telescopio Espacial Hubble revelan firmas de material recién sintetizado, incluyendo oro y platino, resolviendo un misterio de décadas, de donde se producían aproximadamente la mitad de todos los elementos más pesados que el hierro". Esta investigación se ha añadido a la imagen de la síntesis de los elementos pesados, lo que sugiere que algunos de los elementos pesados que se han atribuido a las supernovas se formaron en cambio en las fusiones de estrellas de neutrones.

Este espectrograma del sitio LIGO muestra el "chirrido" o el aumento de la señal de frecuencia a medida que las estrellas de neutrones se acercan entre sí, produciendo una mayor frecuencia a medida que giran más rápido.

Desde esta detección de ondas de gravedad se ha hecho una contribución adicional con la provisión de un valor para la Constante de Hubble que es independiente de la escala de distancia principal utilizada para determinar distancias cósmicas. De la coalición LAMBDA de la NASA viene la siguiente descripción: "Los avances recientes en la tecnología de detección de ondas gravitacionales (GW) proporcionan un enfoque de análisis independiente de la escala de distancia cósmica. La primera estimación de la constante de Hubble usando una detección de fuente GW es un esfuerzo conjunto de los equipos LIGO / Virgo (Abbott et al.2017), combinados con observaciones de seguimiento colaborativas que identifican la contraparte óptica de la fuente. En esta determinación, se analiza la amplitud de las ondas gravitacionales resultantes de la fusión de un sistema binario de estrellas de neutrones para determinar la distancia de luminosidad al sistema, y se obtiene un desplazamiento al rojo cosmológico a partir de la identificación óptica de la galaxia anfitriona fuente. La degeneración entre la distancia de luminosidad calculada y el ángulo de inclinación orbital binario es la fuente principal de incertidumbre; el valor obtenido es H0 = 70,0-8 + 12. Las futuras detecciones de fuentes de GW deberían proporcionar restricciones más estrictas".