Y LIGO detectó la fusión de dos agujeros negros por tercera vez

El detector de ondas gravitacionales LIGO lo ha vuelto a hacer. Los dos interferómetros han sentido por tercera vez la fusión de dos agujeros negros a miles de millones de años luz de distancia. En este caso el suceso causante de las ondas gravitacionales fue la unión de dos agujeros negros de 31,2 y 19,4 veces la masa del Sol que se combinaron para formar un único agujero negro de 48,7 masas solares. Sí, casi 49 masas solares y no 51 como cabría esperar. Lo que implica que unas dos masas solares se convirtieron en energía —ondas gravitacionales— durante la fusión, ahí es nada (o mejor dicho, son 2 x 1047 julios, para ser precisos).

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La señal GW170104 comparada con las otras dos detectadas por LIGO (y la señal candidata LVT151012) y las masas de agujeros negros procedentes de sistemas estelares binarios (LIGO).

La señal en cuestión se ha denominado GW170104, indicando que se fue detectada el 4 de enero de este año (en concreto fue a las 10:11:58,6 UTC de ese día, primero por el detector de Hanford y luego por el de Livingston). Recordemos que las anteriores fusiones de agujeros negros se llamaron GW150914 y GW151226. ¿Y qué sabemos de GW170104? Pues, aparte de la masa estimada de los agujeros negros que dieron lugar a la señal, que se produjo a una distancia de entre 1600 y 4300 millones de años luz, lo que convierte a esta señal en la más lejana de las tres que conocemos. Y, una vez más, la señal es totalmente consistente con la relatividad general. Pero lo que llama la atención son las elevadas masas de los agujeros negros implicados, un hecho que vuelve a poner en un aprieto a los modelos teóricos.

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Detalles de la señal de ondas gravitacionales detectada por los dos interferómetros de LIGO. Se puede ver que concuerda precisamente con los modelos teóricos (azul) de la relatividad general (LIGO).

Las primeras ondas gravitacionales descubiertas, correspondientes a la señal GW150914, se originaron por la fusión de dos agujeros negros de 36 y 29 masas solares. ¿Y cuál es el problema? Que la teoría nos dice que este tipo de agujeros negros de masa intermedia deben ser poco frecuentes. Los sistemas binarios de agujeros negros se supone que se han formado a partir de estrellas y, por lo tanto, deberían tener masas de entre unas cinco y veinte masas solares. La siguiente señal descubierta, GW151226, calmó los ánimos al tratarse de ondas gravitacionales nacidas tras la unión de dos agujeros negros de 14 y 8 masas solares. O sea, dentro del rango de masas acorde con un origen estelar. Todos contentos. GW150914 pasó a ser una simple anomalía estadística.

Dirección en la bóveda celeste de las fuentes de ondas gravitacionales detectadas por LIGO (LIGO).
Dirección en la bóveda celeste de las fuentes de ondas gravitacionales detectadas por LIGO (LIGO).
Características de la señal
Características de la señal GW170104 (LIGO).

Pero la nueva señal GW170104 ha sido también originada por agujeros negros de tamaño medio (los agujeros negros grandes y masivos son los que vemos en los centros galácticos), así que volvemos a tener un problema. Los investigadores no tienen dificultades para imaginar mecanismos capaces de generar agujeros de tamaño intermedio, pero lo difícil es concebir cómo pueden encontrarse en parejas. Al fin y al cabo, los dúos de agujeros negros son muy sencillos de explicar a partir de sistemas binarios de dos estrellas de elevada masa. Una forma de salir de este atolladero podría ser que los agujeros negros se formasen primero de forma independiente —seguramente a partir de estrellas— y luego, de alguna manera, acabaron juntos.

Los centros de cúmulos estelares, ricos en estrellas jóvenes y masivas y, por tanto, también en agujeros negros, sería el escenario ideal para la creación de estos sistemas de agujeros negros de tamaño medio detectados por LIGO. Las interacciones gravitatorias con otras estrellas del cúmulo aumentarían la masa y el tamaño de los agujeros negros hasta los valores observados y facilitarían el encuentro entre los mismos para dar lugar a un sistema binario. Esta última señal parece confirmar esta hipótesis, ya que los ejes de rotación de los agujeros negros no estaban alineados como cabría esperar en el caso de dos agujeros negros nacidos a partir de un sistema binario de estrellas. Efectivamente, es posible saber si los ejes están alineados midiendo la duración del suceso que da origen a las ondas gravitacionales (si los ejes están alineados la unión de los agujeros durará más que en caso contrario). De hecho, es la primera vez que se ha medido esta alineación, puesto que en las anteriores ocasiones los resultados no fueron concluyentes.

No obstante, aunque esta hipótesis sea cierta queda por explicar la aparente falta de señales procedentes de sistemas binarios convencionales con agujeros negros de masa estelar. Claro está que solo tres sucesos (más uno no confirmado) no nos permite sacar conclusiones estadísticas, así que tendremos que esperar a tener más resultados. Hasta ahora se han detectado otras siete señales candidatas que están a la espera de confirmación. Por otro lado, con la entrada en servicio del interferómetro europeo Virgo a finales de año ya tendremos disponibles tres detectores de ondas gravitacionales y seremos capaces de localizar en el cielo las fuentes con mayor precisión.

Características de los agujeros negros detectados por LIGO (LIGO).
Características de los agujeros negros detectados por LIGO (LIGO).
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Datos sobre GW170104 (LIGO).
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La señal GW170104 y la relatividad general (LIGO).

https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20170601

Referencias:

  • https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20170601
  • https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170104
  • https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.118.221101
  • http://francis.naukas.com/2017/06/02/gw170104-tercera-onda-gravitacional-observada/

35 Comentarios

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RicardRicard

Gracias por el artículo, pero yo hay un par de cosas que no entiendo.

Según nos explican las ondas gravitacionales se desplazan siguiendo una función lineal, dado que su velocidad es constante e igual a la velocidad de la luz. De hecho, según he visto, ésta es la única y exclusiva característica que tiene una onda gravitacional.

Si esto es cierto podemos imaginar que “captamos” el “nacimiento” de una onda gravitacional, no a 1.300 o 4.000 millones de años luz como se ha hecho, sino por ejemplo a 10.000 millones de años luz.

Pero, dado que una onda gravitacional se extiende en todas direcciones (como podría suceder p.e. con la onda que forma una piedra que tiramos al estanque) esto quiere decir que la onda gravitacional también se desplaza o avanza en un sentido opuesto al de la onda que nos llega aquí, a la Tierra.

Pero esto da lugar a una paradoja… ¿Puede una onda gravitacional desplazarse o distorsionar el espacio-tiempo a su alrededor 20.000 millones de años luz?… Es decir, ¿Podría una onda gravitacional superar el tiempo de vida del Universo? ¿Cómo puede ser esto?

Y la segunda… ¿Por que se estima necesaria una colisión equivalente a 50, 60 ó 70 masas solares (o las que sean) para activar una partícula (el gravitón) cuya masa hipotética es 0?

Un saludo, y gracias.

KiKi

Aquí hemos venido a jugar!! Me la juego:

1. Por la expansión acelerada del universo, la inflación cósmica.
2. Si he llegado entender al gran Francis, la onda gravitacional, que no graviton, no se genera por la unión en si de los agujeros negros, sino por la asimetría que se produce en el proceso de mezclado.

A quedar fatal!! xD

Saludos

Blue_hypergiantBlue_hypergiant

Ricard confundes tiempo con distancia, 13.000 millones de años es la edad del Universo, no su tamaño, el Universo observable se estima que tiene unos 93.000 millones de años luz y continúa expandiéndose, así que una onda gravitacional perfectamente podría abarcar una esfera de 20.000 millones de años luz, por lo tanto no crea ninguna paradoja.

RicardRicard

La luz o su velocidad es tanto una medida de tiempo como de distancia, no hay confusión en esto; Y, por otro lado, LIGO no tiene en cuenta entre sus parámetros que el Universo se está expandiendo. Pero gracias de todas maneras.

Blue_hypergiantBlue_hypergiant

A ver, si dices que una onda gravitacional puede superar la edad del Universo sólo por generarse a 10.000 millones de años luz, claramente estás confundiendo términos.

RicardRicard

Bueno, pues dame tu la distancia máxima a la que podemos captar una colisión de este tipo respecto a la medida del universo que te apetezca y verás que eso no cambia el sentido de la pregunta.

Blue_HypergiantBlue_Hypergiant

La distancia máxima a la cual podemos observar cualquier evento astronómico son unos 13.400 millones de años luz (sin contar la CMB). Por lo demás desisto en intentar explicarte nada, primero por tu actitud, y segundo porque me resulta muy curioso que hagas una pregunta sobre un tema que desconoces, pero aún así, seas capaz de desestimar una respuesta porque no encaja con tus ideas preconcebidas.
Lo bueno de este blog, además de lo obvio, es que en su sección de comentarios participan personas que saben muchísimo, vamos a ver si una sola de ellas está de acuerdo con lo que tú dices.

Blue_HypergiantBlue_Hypergiant

Y como por lo visto no me crees, te dejaré una pista para que respondas tú mismo a tu pregunta, investiga sobre el término distancia comóvil del Universo 😉

De nada.

U-95U-95

La distancia comóvil es algo difícil de asimilar. No digo ni mucho menos que sea falso pero descubrir que el borde del Universo visible está a más de 45000 millones de años luz, no 13800 millones como parece obvio fue toda una sorpresa.

amagoamago

es mejor estar callado y que todos piensen que eres tonto que abrir la boca y despejar todas las dudas…
perdon por faltar, pero es que te lo ganas a pulso. es un buen lugar para preguntar, te dan muy buenas respuestas, pero no sirven de nada si no te crees lo que te dicen.

perikok3perikok3

Siempre leo este pedazo de blog y sus comentarios, pero nunca comento. Sin embargo, no he podido evitarlo en esta ocasión. amago, amén hermano.

JxJx

la distancia recorrida por una nave espacial esta limitada por la máxima velocidad posible, que no puede ser mayor a la velocidad de la luz, por lo tanto el tiempo máximo de llegada a algún punto del universo es finito
¡pero!, y si pudiéramos doblar el espacio tiempo gracias a manipular la gravedad podríamos montarnos sobre una onda gravitacional y recorrer mas distancia en menos tiempo

CharlieCharlie

No veo ninguna paradoja. Si lo que quieres decir es que el “diámetro de influencia” de la onda gravitacional sería de 20000 millones de años luz no hay ningún problema en ello. Aun sin tener en cuenta el asunto de la distancia comóvil que comentaba Blue. El asunto es que parte del borde de la onda gravitacional puede salir fuera de nuestro universo observable (está afectando a una parte del universo que no podemos ver).

Una cosa es el universo observable y otra el universo total.

La pregunta del gravitón no la entiendo, pero es que no soy muy fan de esa supuesta partícula.

RicardRicard

Como he puesto en la pregunta una onda gravitacional (de acuerdo con la interpretación sui-generis que hacen los científicos de LIGO de la TRG) es una función lineal y, por lo tanto no tiene en cuenta la expansión del Universo entre sus parámetros… !ahí es nada!. Por lo tanto, para una onda gravitacional no habría diferencia entre universo observable, universo total, comovil, aparente o cómo sea; desde su punto de vista sería todo lo mismo.

Para entendernos, la paradoja desde otro punto de vista sería ésta; ¿Cómo es posible que una onda gravitacional sea una distorsión espacio-temporal, si no tiene en cuenta que el espacio-tiempo se está creando en este mismo momento? (Que es , en definitiva, lo que nos dice la expansión del universo).

Te explico también la paradoja del gravitón.

La única característica del gravitón es la de desplazarse a la velocidad de la luz. (Si encuentras otra dímela, por favor). Hasta ahora sabíamos que lo único capaz de moverse a esa velocidad es un fotón de luz, y que la luz es una combinación de efectos electro-magnéticos, Por lo tanto,… ¿Cómo puede un gravitón ser un monopolo, sin contradecir la teoría de la luz?

Por cierto, si el universo no observable para tí es el universo inmaterial entonces no digo nada, estoy de acuerdo.

Un saludo,

Antonio (AKA "Un físico")Antonio (AKA "Un físico")

Daniel, ¿nunca te has preguntado por qué LIGO detecta tantas fusiones de agujeros negros en relativamente tan poco tiempo?. Hay un investigador español que ha propuesto una explicación en arxiv.org/pdf/1702.08275.pdf
Creo que sería interesante dedicarle una entrada a este artículo.

YeilYeil

Como hipótesis, supongo que la propia sutileza de las ondas gravitacionales hace que sólo seamos capaces de detectar las más intensas, por lo tanto los datos están sesgados hacia fusiones de agujeros negros de mayor masa.

Algo parecido a lo que ocurría con los planetas extrasolares, sobre todo al principio.

CharlieCharlie

Creo que no, el detector tiene sensibilidad suficiente para detectar fusiones de agujeros menos masivos (de hecho se fabricaron los detectores pensando en fenómenos menos violentos). El problema es intentar hacer estadística con tres datos, hay que esperar más tiempo.

V Dimensión

Muy buen artículo y muy esclarecedor. Parece que el descubrimiento de las ondas gravitacionales va a traer consigo grandes avances en cuanto a la investigación astrofísica se refiere. No obstante, como durante toda la historia de la ciencia, los grandes avances conllevan nuevos y más intricados problemas, como el conflicto de tamaños de agujeros negros que comentabas. En definitiva, un futuro de enhorabuena para las mentes más curiosas.
Os dejo aquí un enlace a mi blog de física y astronomía, estoy seguro de que lo encontraréis más que interesante: https://vdimension.org/

Blue_HypergiantBlue_Hypergiant

Tengo una duda acerca de los efectos de las ondas gravitacionales, ¿son estos fenómenos destructivos? Quiero decir, si en lugar de que sus efectos se noten a nivel subatómico , estos se notaran en centímetros o incluso metros, si se encuentran un objeto en su camino, estrella, planeta, forma de vida…, ¿se verá su estructura afectada? ¿O simplemente al deformarse el espacio-tiempo a la misma vez , el objeto queda como si nada? ¿A que distancia los efectos gravitacionales de estas colisiones dejan de ser relevantes y se “diluyen” en el espacio?

Gracias a quien sea :p

U-95U-95

Los números no sé donde podrían estar -en “Agujeros negros y tiempo curvo” de Thorne se describe un encuentro con las ondas gravitacionales emitidas por dos agujeros negros tras fusionarse (y hay fórmulas matemáticas en el apéndice). El efecto es el de que los objetos se elongarían en el sentido que apunta a los agujeros para luego comprimirse de nuevo y sufrir el mismo efecto pero en dirección perpendicular a esa -es como estirar una goma por los lados y luego lo mismo pero por su centro, hacia arriba y abajo-, y tanto más cuánto más cerca de los agujeros y menos cuánto más lejos. Lo suficientemente cerca de ellos, por supuesto, sea un asteroide/nave espacial/planeta/etc, sería destrozado así. Como pasa por las fuerzas de marea, un cuerpo pequeño sufriría menos que uno grande.

Seguramente en algún lugar de Internet habrá una descripción mejor y sobre todo fórmulas con las que jugar, pero para empezar debería valer.

Blue_HypergiantBlue_Hypergiant

Gracias, imaginaba algo así, de hecho es en lo que se basa el LIGO para detectarlas.
Supongo que también depende del tamaño del objeto y la frecuencia de las ondas, por ejemplo, si una persona se encuentra con una onda gravitacional con una longitud de onda mucho mayor que el tamaño de su propio cuerpo, seguramente no le pasaría nada porque todo su cuerpo se deformaría “espaciotemporalmente” a la vez y ni siquiera se daría cuenta, pero si la longitud de onda es menor, digamos unos pocos centímetros, su cuerpo se deformaría por partes a medida que la onda avanza y causaría un buen lío. No tengo ni idea de si será así pero sería interesante saberlo.

Kapitán KirkKapitán Kirk

Hola Ricard, voy a intentar responder a tu primera pregunta de forma sencilla y usando el ejemplo de la piedra y las ondas en el estanque, un ejemplo muy manido y que se suele utilizar también en mecánica cuántica para explicar la dualidad onda-partícula cuando un fotón atraviesa dos rendijas al mismo tiempo para proyectar un patrón sobre el fondo. Algo que seguro habrás visto en múltiples ejemplos dibujados.

La primera afirmación le corresponde a la Relatividad Especial de 1905, donde se explica que incluso iluminando dos linternas en sentidos opuestos, sus respectivos fotones NO se alejarían al doble de la velocidad de la Luz (c) por muy contradictorio que parezca cada fotón vería al otro alejándose a (c) y no al doble de velocidad como intuitivamente pueda parecer. Aquí es donde entra el Tiempo ya que cada fotón entiende que su tiempo está detenenido, por lo que ve al contrario alejarse a (c) exactamente y viceversa. Nunca al doble de velocidad.

La pregunta clásica suele ser ¿en un fotón el tiempo es cero? Respuesta SI….. cabalgando en un imaginario fotón desde A-Centauri hasta la Tierra el tiempo no transcurre, tendríamos la misma edad si pudíesemos montarlo como a un caballo.

Esto conlleva muchas consecuencias sobre el espacio tal y como se puede adivinar. El ejemplo del estanque se queda corto y de nuevo nada intuitivo. La teoría del Big Bang nos dice que según va aumentando la inflación el Universo se expande y al parecer de forma acelerada, pero sólo porque desde su origen el núcleo (la singularidad) se hace más ancha, larga… extensa hasta permitir enfriarse lo suficiente para formar átomos, galaxias etc… Toma una idea inicial mucho más antígua basada en: “es infinito pero no tiene límites”.

Y aquí es justo donde quería llegar. Efectivamente este modelo soluciona la supuesta expansión acelerada del Universo, encaja también elementos demostrados como lentes gravitatorias, la famosa cruz de Einstein… e incluso pareciera que el corrimiento al rojo de Hubble es igualito que un cochecito que se acerca y se aleja como un cuásar cualquiera.

Veréis, yo aquí me planto cuando todo esto está siendo más que discutido actualmente. Nada de ello explica la materia y la energia oscura, e incluso el concepto de Einstein: la constante cosmológica (k) su mayor error según sus propias palabras (recordemos que la ideó para un Universo estacionario) parece que retorna con fuerza porque en definitiva los problemas que supone una Gran Explosión son aparte de difícilmente explicables ¿qué ocurrió con las antipartículas, por qué unas vencieron? podrían ser explicados con otros argumentos como por ejemplo distintas velocidades de la Luz según la edad del Universo, o el envejecimiento de la Luz cuando se lanza una piedra a un estanque plagado de piedras (es una metáfora).

Bueno, perdón, he ido más lejos de lo que pensaba y me explico fatal, pero pienso que la pregunta de Ricard llamaba a esparcirse. Un saludo a todos.

Kapitán KirkKapitán Kirk

Otra cosa, y volviendo al tema… no cuadra que en la unión de dos agujeros negros se pierdan dos masas solares. Que yo sepa no se ha detectado partícula (el famoso gravitón ni de coña) cargada con semejante cantidad de energía. Aparte que no se le suponen esas propiedades.

Por ser optimista creo que las ondas gravitacionales van a dar un vuelvo a la física muy importante, y además en muy poco tiempo espero.

RicardRicard

Gracias por la respuesta. Está muy bien todo eso de la expansión del Universo, pero piensa que el concepto “onda gravitacional” no lo tiene en cuenta, como si no existiera. Y este es el motivo principal de que la teoría gravitacional se “saque de la manga” el concepto de gravedad que ahora resulta que se transmite de forma lineal.

Verás….Cuando la teoría gravitacional (según nos cuentan) dice refutar la TRG de Einstein es una mentira como una catedral. Lo que hace es justamente lo contrario, partirla por la mitad. Si realmente se pudieran detectar las ondas de gravedad y, en consecuencia, también tuvieran una cierta existencia material los agujeros negros, resultaría que la teoría de Einstein predice cosas tanto fuera como dentro del espacio-tiempo. Las cosas fuera del espacio-tiempo serían por ej., el Big-Bang o la expansión del Universo. ¿Puede una teoría predecir al mismo tiempo cosas incompatibles entre ellas? Está claro que no, al menos si apelamos al “método científico”.

Date cuenta de que le van a dar el premio nobel a un producto homeopático, pues la “onda gravitacional” parece ser que produce efectos, pero el principio activo (el gravitón) como bien dices es hipotético, pues no aparece por ningún lado.

No me caben dudas al respecto de que el próximo hito tecnológico será crear un interferómetro capaz de detectar la realidad.

Un saludo,

TxemaryTxemary

Una duda que me surge viendo la imagen de las direcciones de las ondas gravitacionales en la bóveda celeste:

¿La dirección de la detección de las señales depende de donde están localizados geográficamente los detectores de LIGO? ¿Podríamos detectar una fuente de ondas perpendicular a las ya detectadas, o habría que construir otros detectores primero?

Saludos y gracias!

Vicente ManuelVicente Manuel

Ahí va la pregunta de un lego pero curioso de la ciencia ¿Cuándo la distancia de detección se amplíe, se hará apreciable en las ondas gravitacionales algo así como un redshift cosmológico? Gracias.

Cristian B.Cristian B.

Se ve que estos sensores gravitacionales hacen buen trabajo, lo que me lleva a la pregunta, ¿que hay del destino de la sonda LISA pathfinder? se construyo específicamente para descubrir las ondas gravitacionales, pero con los sistemas en tierra parece que ya no hará falta una sonda, o la ESA le dará un nuevo propósito a la sonda?

Daniel Marín

Los detectores terrestres solo sirven para un rango determinado de longitudes de ondas gravitacionales. Por eso los detectotres espaciales son necesarios para cubrir esa ventana de longitudes de onda.

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