Las ondas gravitacionales más poderosas se detectarán en diez años

14/11/2017

Las ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos agujeros negros supermasivos, uno de los tipos más grandes de uniones en el cosmos, se detectarán dentro de 10 años.

Es el cálculo del primer estudio que utiliza datos reales, en lugar de simulaciones por computadora, para predecir cuándo se realizará dicha observación, fuera de las longitudes de onda observables por la tecnología actual. El estudio se publica en 'Nature Astronomy'.

"Las ondas gravitatorias de estas fusiones binarias de agujeros negros supermasivos son las más poderosas del universo", dice la autora principal del estudio Chiara Mingarelli, investigadora del Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York. "Absolutamente empequeñecen las fusiones de agujeros negros detectadas por LIGO", que detectó por primera vez las ondas gravitacionales de los agujeros negros en colisión en febrero de 2016, según afirma.

La detección de una fusión de agujeros negros supermasivos ofrecerá nuevos conocimientos sobre cómo evolucionan las galaxias masivas y los agujeros negros, dice Mingarelli. La falta de tal avistamiento dentro del marco de tiempo de 10 años, por otro lado, necesitaría un replanteamiento de si y cómo se fusionan los agujeros negros supermasivos, dice.

Los agujeros negros supermasivos viven en el corazón de grandes galaxias, incluida nuestra propia Vía Láctea, y pueden ser millones o incluso miles de millones de veces la masa del sol. A modo de comparación, los agujeros negros fusionados detectados hasta ahora por los detectores de ondas gravitacionales han sido solo unas pocas docenas de veces la masa del sol.

Cuando dos galaxias colisionan y se combinan, sus agujeros negros supermasivos derivan hacia el centro de la galaxia recién unificada. Los científicos predicen que los agujeros negros supermasivos se mezclarán y se fusionarán con el tiempo. Esa reunión produce intensas ondas gravitatorias que se extienden a través del tejido del espacio y el tiempo.

Si bien esas ondas gravitacionales son fuertes, se encuentran fuera de las longitudes de onda actualmente observables por experimentos en curso como LIGO y Virgo. La nueva búsqueda de ondas gravitacionales formadas por la fusión de agujeros negros supermasivos en su lugar aprovechará estrellas llamadas púlsares que actúan como metrónomos cósmicos. Las estrellas que giran rápidamente envían un ritmo constante de pulsos de ondas de radio. A medida que las ondas gravitatorias pasan y comprimen el espacio entre la Tierra y el púlsar, el ritmo cambia ligeramente. Esos cambios luego son monitoreados por los proyectos de observación de púlsar en la Tierra.

Tres proyectos actualmente leen el momento de las ondas de radio que llegan de los púlsares cercanos: el Parkes Pulsar Timing Array en Australia, el Observatorio Norteamericano de Nanohertz para las Ondas Gravitacionales y el European Pulsar Timing Array. Juntos, el trío forma el International Pulsar Timing Array.

Mingarelli y sus colegas calcularon cuánto tiempo demorarán esos proyectos para detectar su primera fusión de agujeros negros supermasivos. El equipo catalogó las galaxias cercanas que pueden albergar pares de agujeros negros supermasivos. Luego, los investigadores combinaron esa información con un mapa de púlsares cercanos para encontrar, por primera vez, la probabilidad de una detección definitiva a lo largo del tiempo.

"Si se toman en cuenta las posiciones de los púlsares en el cielo, básicamente tienes un 100 por ciento de posibilidades de detectar algo en 10 años --señala Mingarelli--. La conclusión es que tienes la garantía de seleccionar al menos un binario de agujero negro supermasivo local".

Una sorpresa de los resultados fue que las galaxias probablemente ofrezcan la primera visión de la fusión supermasivo de agujeros negros. Las galaxias más grandes significan agujeros negros más grandes y, por lo tanto, ondas gravitacionales más fuertes. Pero los agujeros negros más grandes también se fusionan más rápido, reduciendo la ventana durante la cual se pueden detectar las ondas gravitacionales. Una fusión de agujeros negros en una galaxia masiva como M87 produciría ondas gravitacionales detectables durante cuatro millones de años, por ejemplo, mientras que una galaxia más modesta como la galaxia Sombrero ofrecería una ventana de 160 millones de años.

Una detección exitosa daría a los astrofísicos una mejor comprensión de la astrofísica en el corazón de las fusiones de galaxias, dice Mingarelli, y proporcionará una nueva vía para estudiar la física fundamental a la que no se puede acceder por ningún otro medio. El número de binarios supermasivos individuales del agujero negro también ofrece una medida de la frecuencia con la que se fusionan las galaxias, que es una medida importante de cómo el universo evolucionó con el tiempo.

Si no se ve una fusión supermasiva de agujeros negros, podría ser porque los agujeros negros se estancan a unos tres años luz (o un parsec) de separación. Este enigma se conoce como el problema final de Parsec. Los dos agujeros negros se juntan gradualmente con el tiempo a medida que sus órbitas se degradan a medida que se pierde energía generando ondas gravitacionales, pero el proceso puede llevar más tiempo que la edad actual del universo.

En cuanto a si los astrónomos detectarán una fusión de agujeros negros supermasivos, Mingarelli asegura que "será interesante en cualquier caso".