…y otra vez pudimos escuchar el canto de los agujeros negros en colisión

Por Daniel Marín, el 19 junio, 2016. Categoría(s): Astronomía • Cosmología • Física ✎ 24

Hace apenas cuatro meses nacía oficialmente la astronomía de ondas gravitacionales cuando el observatorio Advanced LIGO detectó la señal procedente de la fusión de dos agujeros negros. ¿Pero cómo de frecuentes son estos sucesos?¿Es normal que los agujeros negros choquen entre sí emitiendo ondas gravitatorias?¿O quizás LIGO simplemente tuvo muy buena suerte? Todavía es pronto para saberlo, de hecho, ese es el motivo de que se hayan creado interferómetros como LIGO, pero ahora podemos confirmar que no fue un hecho aislado.

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Representación de la fusión de los dos pares de agujeros negros detectados por LIGO (LIGO).

Y es que LIGO ha vuelto a detectar las sutiles vibraciones del espaciotiempo provocadas por la fusión de dos agujeros negros. Esta segunda señal, conocida como GW151226, fue detectada el 26 de diciembre de 2015 a las o3:38:53 UTC (sí, los nombres de las señales siguen el formato Gravitational Wave – Año – Mes – Día; simple, ¿no?). La primera señal, y la que pasará a los libros de historia, fue GW150914, provocada por la fusión a 1400 millones de años luz —se dice pronto— de dos agujeros negros de 30 y 35 masas solares cada uno. Esta segunda señal ha sido causada al unirse dos agujeros negros más pequeños, de 14,2 y 7,5 masas solares, para formar un único agujero negro de 20,8 masas solares.

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Propiedades de la señal GW151226. Se puede comprobar su total ajuste con las predicciones de la relatividad general (LIGO).

Si sumas las masas de los dos agujeros negros verás que sale 21,7 masas solares, no 20,8. Es decir, casi una masa solar se convirtió en energía en el proceso de fusión y fue emitida en forma de ondas gravitacionales. La menor masa de estos dos agujeros negros explica que LIGO haya sido capaz de detectar hasta 55 órbitas de este último par durante casi un segundo, mientras que en la anterior señal los investigadores solo pudieron detectar diez órbitas en dos décimas de segundo. Curiosamente, el azar ha querido que las distancias a las que se produjeron los dos sucesos sean similares: 1400 millones de años luz.

La segunda señal, GW151226, ha sido más débil que la primera, con una relación señal ruido (S/N) de tan solo 13, bastante por debajo de la relación de 24 alcanzada por GW150914. Hay que recordar que LIGO también detectó en octubre del año pasado la señal candidata LVT151012, pero puesto que su relación S/N es de solo 9,7 no cuenta oficialmente como un descubrimiento.

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Características de la segunda señal detectada por cada uno de los dos detectores de Advanced LIGO (LIGO).

Muchos astrofísicos han respirado tranquilos al comprobar que los agujeros negros que crearon la señal GW151226 son más ligeros y coinciden de pleno con las masas estimadas para los agujeros negros estudiados a partir de sus emisiones de rayos X. La primera señal correspondía a unos agujeros negros progenitores relativamente pesados que no encajan ni con los agujeros negros estelares normales ni con los agujeros negros supermasivos de los centros de galaxias. Otro novedad a destacar es que uno de los agujeros negros de la segunda señal poseía un movimiento de rotación que pudo ser medido.

La rotación de los agujeros negros es una magnitud que sirve para determinar si los agujeros negros progenitores se formaron en el mismo sistema o, por el contrario, acabaron junto por culpa de otros procesos. Sea como sea, resulta sorprendente que seamos capaces de medir esta característica a tamaña distancia. Por otro lado, debemos volver a subrayar que los descubrimientos de LIGO han confirmado la existencia de los agujeros negros de forma independiente, puesto que ahora estábamos limitados a las observaciones en el espectro electromagnético. Y, por supuesto, una vez más la señal se ajusta como un guante a las predicciones de la relatividad general.

Características de los agujeros negros que han creado las dos señales (LIGO).
Características de los agujeros negros que han creado las dos señales detectadas por LIGO (LIGO).

 

Puesto que Advanced LIGO solo tiene dos detectores operativos es muy difícil determinar las coordenadas de la señal en el cielo, pero como alcanzó los dos casi al mismo tiempo es de suponer que su origen debe estar en un lugar de la bóveda celeste situado a medio camino entre ambos instrumentos.

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Reconstrucción del lugar de origen de las dos señales detectadas (LIGO).
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Otra vista del posible origen de las señales en la bóveda celeste (LIGO).
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Señales detectadas por LIGO durante su primera fase de observación (LIGO).

Advanced LIGO ha detectado dos señales procedentes de la fusión de agujeros negros durante su primer periodo de observación, que tuvo lugar entre septiembre y enero. Los modelos teóricos predicen entre 10 y 250 sucesos de este tipo por año y por gigapársec cúbico. Dos sucesos son muy pocos para afinar los modelos teóricos, pero está claro que la astronomía de ondas gravitatorias ha empezado fuerte. Y ha llegado para quedarse. A la futura generación de detectores terrestres que ya están en fase de desarrollo debemos sumar los interferómetros espaciales. Gracias a los resultados de la misión espacial LISA Pathfinder ahora sabemos que es posible construir un interferómetro láser espacial con la precisión suficiente para detectar sucesos que generen ondas de mayor longitud de onda, como la fusión de enanas blancas o agujeros negros supermasivos.

 

https://dcc.ligo.org/public/0124/P1600088/015/bbh-o1.pdf

  • https://dcc.ligo.org/public/0124/P1600088/015/bbh-o1.pdf
  • https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/336/original/press-release.pdf
  • http://francis.naukas.com/2016/06/15/gw151226-nueva-onda-gravitacional-detectada-por-advanced-ligo/


24 Comentarios

  1. ¿Habrá una manera sencilla de entender la emisión de energía de esta fusión de agujeros negros, tomando como base que nada sale de un agujero negro? hablando desde un punto de vista físico y no tan matemático.

    1. Oh, de un agujero negro “salen cosas”, sin problemas. De hecho son algunas de las fuentes de rayos X más energéticas del universo, a veces. A lo que tu te refieres es que no puede salir nada de dentro del horizonte de sucesos. Pero cuando algo pasa el límite, una parte importante de su masa-energía, en vez de entrar al agujero negro, sale despedida en forma de rayos X y demás radiación de alta energía. Esto es precisamente lo que hizo famoso al señor Hawking, demostrar que esto tenía que pasar, y por eso la radiación que emiten llega su nombre.

      Aparte, los discos de acrección (si los tienen!) son lugares muy activos, brillando en todo el espectro electromagnético con una considerable energía, usando la pérdida de energía por colisiones de la materia según cae al agujero negro como fuente de esa energía que emite. En la película Interstellar, de hecho, el disco de acrección de Gargantúa era la fuente de luz de todo el sistema solar que exploran lo héroes. Dejando aparte que la luz sería en su mayor parte ultravioleta y rayos X y demás cosas que te fríen, y bastante poco parecido al espectro de una estrella como el sol, es una de las partes más realistas de la peli.

      Ahora bien, un agujero negro que no esté tragando nada y vague solo por el espacio, pues sí, sería muy calladito y casi imposible de ver si no es por sus efectos gravitatorios. Pero si hay materia cercana, el agujero negro se convierte en uno de los objetos más activos del cielo.

      1. Un apunte, la radiación de Hawking no es resultado de que caiga algo al agujero, sino un fenómeno cuántico, que de hecho predice pérdida de masa del agujero. Por eso es tan difícil de detectar (todavía no se ha conseguido detectar radiación de Hawking), ya que es muy débil y es difícil separarla de la mucho más energética liberada en el disco de acreción.

        1. Igual estoy mezclando churras con merinas, no sería la primera vez. Pero cuando algo atraviesa el horizonte de sucesos, se emite parte de su masa-energía en forma de radiación, en eso estamos de acuerdo y lo he recordado bien, no?

        2. Creo que la radiación de Hawking se origina porque aparece una partícula y su antipartícula espontáneamente, debido a las fluctuaciones del vacío cuántico, y una de las dos cae al agujero y la otra no.

      1. Gracias, esa era la respuesta que quería evitar, el meterse con horizonte de sucesos dinámicos es algo que no satisface plenamente ¿por qué Ma+Mb>M_total? desde el punto de vista físico para un objeto que se supone no puede expulsar nada.

      1. Se parece al trailer de Battleship, o de una película de Michal Bay. Supongo que será una estrategia para atraer a la gente, aunque creo que se les pasó.

        1. Lo de las letras verdes cogido directamente de alíen el octavo pasajero. Está muy bien. También me recuerda al de siete minutos de terror, del curiosity

  2. Lo curioso es que, después de habernos pasado como un siglo(!) buscando ondas gravitatorias, ahora nos parece lo más normal del mundo que se sigan detectando. Bueno, también nos parece lo más normal del mundo vivir hasta más allá de los 70 de forma rutinaria, por ejemplo.

  3. Un artículo fabuloso. Muchas gracias por compartirlo. Todos los días me encuentro maravillada por los nuevos descubrimientos científicos y su variedad.

  4. Que no empiecen a chuparse las pollas todavía, que efectivamente con dos señales ha salido más caro “demostrar” la existencia de los AN xD.

    Efectivamente hay un problema con las masas, las masas de los dos primeros sólo las predice la hipótesis de AN primordiales, una de cuyas versiones más alucinantes es que las galaxias tienen halos de AN.

    Como siempre hay que tener paciencia y esperar… de momento sólo dos señales y dos fusiones de AN. Si las pŕoximas 10 que midan son lo mismo van a tener un problema más gordo de lo que tenían. Y voy a columpiarme (es muy chulo): en ese chisme no van a ver otra cosa.

    1. Las masas de los dos primeros provocaron cierta sorpresa, es verdad, pero no son exclusivas de AN primordiales. Calzan sin problemas en al menos otros dos escenarios más generales y por lo tanto más probables:

      http://www.space.com/31945-gravitational-wave-detection-black-holes-science.html
      “Around in the late 2000s, estimates of how strong [solar] winds are were revised. … So, if you now put weaker winds in your stellar models, your final masses are heavier, so you’re getting these heavy black holes to form in your models…”

      http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/05/26/black-holes-as-dark-matter-heres-why-the-idea-falls-apart/#493d943b6d7b
      “When we produce stars, we do so in bursts, with the most massive starbursts producing dozens of stars ranging from 50 to upwards of 250 times the mass of the Sun. … the largest ones can create black holes 20, 30, 50 or even potentially over 100 times our Sun’s mass.”

      Y los halos galácticos… son materia oscura, la cual mayoritariamente es “otra cosa”:

      https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter#Composition

      http://francis.naukas.com/2016/05/29/machos-y-agujeros-negros/
      “Según la estimaciones teóricas … los agujeros negros con ~30 masas solares podría dar cuenta de sólo el 0,1% de toda la masa de la materia oscura del universo. … Por supuesto, la existencia de nuevas leyes de la física que cambien lo que sabemos sobre los MACHOs o los agujeros negros primordiales podría alterar estas estimaciones. Pero pocos físicos se atreverán a afirmar que dichos cambios pueden hacer que lo ínfimo pase a ser dominante.”

      Saludos.

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