Ondas gravitacionales: Una detección curiosa

*Por Gaston Giribet

Se anunció en estos días una nueva detección de ondas gravitacionales; detección acaecida, en realidad, el 14 de agosto del año pasado. Ese día los detectores LIGO y VIRGO, en Estados Unidos y Europa respectivamente, sintieron una vez más la perturbación del espacio-tiempo producida por una colisión de astros distantes y enormes.

Desde 2015, año de la primera detección de ondas gravitacionales, LIGO y VIRGO han venido detectando ondulaciones del espacio-tiempo que son prueba inconfundible de ese tipo de colisiones. De esas detecciones hemos aprendido mucho sobre la población de los agujeros negros en el cosmos, sobre el origen de los elementos pesados en el universo, y hemos confirmado, además, una de las predicciones más interesantes de la teoría de Einstein: la gravedad viaja como ondas a la velocidad de la luz.

Ahora bien, aunque LIGO y VIRGO nos tienen ya acostumbrados a estas maravillosas detecciones de colisiones cósmicas, el evento del 14 de agosto de 2019 fue especial. Las características de las ondas gravitacionales detectadas ese día indican que las mismas fueron producidas por la colisión de dos objetos densos a 800 millones de años luz de nosotros (una distancia enorme, que, para que nos demos una idea, supera en más de diez veces la que nos separa del agujero negro supermasivo fotografiado el año pasado por la colaboración Event Horizon Telescope).

Pero antes de ahondar en las peculiaridades del evento cósmico detectado el 14 de agosto, dediquemos unos minutos a recordar de qué hablamos cuando hablamos de ondas gravitacionales: Desde la teoría de la relatividad general, formulada por Einstein en 1915, entendemos la gravedad, ya no como una fuerza en el sentido newtoniano, sino como la curvatura del espacio-tiempo mismo. Es decir, la teoría de la gravitación de Einstein pone de manifiesto el carácter dinámico del entramado espaciotemporal. Según esto, la atracción gravitatoria entre dos astros se debe a que cada uno de ellos curva el espacio en sus inmediaciones y, al hacerlo, compele al otro a ceñir su trayectoria a las formas que el espacio adopta. Si estos dos astros se encuentran orbitando rápidamente uno en torno a otro, entonces ese curvar al espacio de manera dinámica resulta en una perturbación del entretejido espaciotemporal y, así, en la propagación de ondas sobre éste, como si se tratara de un medio elástico. Esas ondas de espacio-tiempo (de gravedad) portan energía; energía que le roban al movimiento orbital de los astros que las originan. En otras palabras: los astros irradian gravedad y así van perdiendo energía cinética.

Al irradiar ondas gravitacionales, el par de astros orbitando uno en torno al otro va perdiendo velocidad, y finalmente éstos entran en coalescencia. Al colisionar producen energías enormes. Nosotros, a salvo en la Tierra, a cientos de millones de años luz de allí y equipados con finísimos interferómetros, detectamos esas ondas gravitacionales, las que nos llegan como cansinas y casi imperceptibles vibraciones del mismísimo espacio-tiempo. Escudriñando minuciosamente la forma de esas onditas, y triangulando con los tres detectores con los que disponemos, nos es posible inferir la naturaleza del cataclismo, su distancia y su dirección en el cielo.

El evento detectado el 14 de agosto de 2019, como decíamos, ha sido especial, y lo ha sido en dos aspectos. Por un lado, se trató de un evento de notable asimetría: Un agujero negro de unas 23 masas solares (23 veces la masa del Sol) colisionó, luego de una espiralada lucha, con un astro 9 veces menor que él, un astro misterioso de tan solo 2,6 masas solares. Por otro lado, y lo que hace al evento aún más interesante, la naturaleza del astro menor es un enigma: ¿Se trata de una gran estrella de neutrones? ¿Se trata de un pequeño agujero negro? Jamás hemos visto una estrella de neutrones tan masiva. Jamás hemos observado un agujero negro tan poco masivo.

La genealogía de las estrellas de neutrones y la de los agujeros negros son similares: Ambos tipos de astro nacen tras la muerte de estrellas masivas. Si bien la mayoría de las estrellas no terminarán sus vidas siendo ninguno de estas dos especies cósmicas, las estrellas más masivas sí lo harán. Luego de una puja entre la presión debida a los procesos nucleares en sus entrañas y la autogravedad producida por su propio peso, la estrella masiva explota. Esa explosión es lo que se conoce como supernova. Luego de la supernova, y dependiendo de las características del detrito que haya quedado tras ella, la estrella puede seguir su proceso y finalmente convertirse, o bien en una estrella de neutrones, o bien en un agujero negro: Si la masa supera cierto valor crítico, es lo segundo su destino.

Lo que importa para el caso que nos ocupa aquí es que las estimaciones de la masa crítica que marca la línea divisoria entre agujeros negros y estrellas de neutrones no están muy lejos del valor de masa del menor de los astros detectados por LIGO y VIRGO en agosto: 2,6 masas solares. Cabe así la pregunta siguiente: ¿Hemos detectado la más grande de las estrellas de neutrones jamás observada o, por lo contrario, se trató del menor de los agujeros negros del que hayamos tenido noticia?

La masa del menor de los agujeros negros del que se tenía certeza ronda las 5 masas solares. Y no sabíamos de estrellas de neutrones con masas que superaran poco más que 2 veces la masa del Sol. Incluso hubo quienes especularon con que el rango de masas entre 2,5 y 5 masas solares podría ser una banda vacante. Al parecer, no es así: Algo cuya masa está en ese rango colisionó en el universo; lo escuchamos.

Para echar más misterio a esta historia, digamos que, a diferencia de otros eventos detectados por LIGO, como la colisión de dos estrellas de neutrones observada en 2017, en este caso no hay una contraparte electromagnética de la observación. Es decir, no hubo luz en este caso. Esto se debe a dos razones: Por un lado, este evento involucra al menos un agujero negro, y no un par de astros luminosos; por otro lado, esta colisión ocurrió 6 veces más lejos que aquella luminosa de 2017. Así, la luz nos ha dejado solos en ésta. Sólo nos queda escuchar el espacio-tiempo mismo y, de ese tono susurrante, inferir qué aconteció.

Para terminar, déjenme contar un detalle del evento observado que muestra claramente la escala de energías, velocidades y masas de las que estamos hablando aquí: La colisión entre el agujero negro de 23 masas solares y su misterioso compañero 9 veces menor liberó en forma de ondas gravitacionales (vibración del espacio-tiempo mismo) una energía equivalente al 20% de la masa del Sol. Y eso no fue más que una propina de un evento que dejó como resultado un nuevo agujero negro que, allí, a 800 millones de años luz de nuestra galaxia, comprime sus 25 masas solares en un radio de 75 kilómetros.