Las ondas gravitacionales, las ondas invisibles en la estructura del espacio predichas por Albert Einstein, están abriendo una nueva era de la astronomía que permite a los científicos ver partes del universo que alguna vez se pensó que eran invisibles. como los agujeros negros, materia oscura y partículas subatómicas teóricas llamadas axiones.

Casi 100 años después de que Einstein predijo su existencia como parte de su teoría de la relatividad general, Las ondas gravitacionales fueron detectadas por primera vez en 2015 por científicos que trabajaban en el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO), ganándoles el Premio Nobel de Física.

Las leves perturbaciones que recogió el instrumento gigante fueron creadas por dos agujeros negros que chocaron entre sí a 1.300 millones de años luz de la Tierra. Cuando estos dos objetos superpesados ​​chocaron, deformaron el espacio y el tiempo.

"La deformación se propaga como ondas en un lago, "explicó el profesor Paolo Pani, físico teórico de la Universidad Sapienza de Roma, Italia. "Estas son ondas gravitacionales".

Todos los objetos con masa crearán su propia ligera inmersión en el tejido del espacio-tiempo, creando lo que llamamos gravedad. Pero solo eventos cataclísmicos que involucran los objetos más pesados, como agujeros negros y estrellas de neutrones, puede crear ondas gravitacionales lo suficientemente grandes como para ser detectadas en la Tierra. Irradian a través del universo a la velocidad de la luz, pasando por casi todo a su paso.

Pero la capacidad de detectar estas ondas también está proporcionando a los astrónomos nuevas formas de ver el universo. El profesor Pani dirige el proyecto DarkGRA en un intento de utilizar ondas gravitacionales para sondear algunos de los mayores misterios del universo. incluyendo estrellas exóticas pesadas, la materia oscura y los propios agujeros negros.

Anteriormente, los astrofísicos se habían visto obligados a inferir la presencia de agujeros negros al observar el comportamiento del material a su alrededor. Se cree que son los restos superpesados ​​de estrellas colapsadas, la gravedad que producen es tan grande que ni siquiera se escapa la luz. Cualquier cosa que pase el límite de un agujero negro, conocido como el horizonte de sucesos, se queda ahí.

"Por eso no podemos ver los agujeros negros, ", dijo el profesor Pani." En cambio, vemos una ausencia de luz en ellos. Los agujeros negros siguen siendo un gran misterio ".

Ondas gravitacionales, sin embargo, están permitiendo que científicos como el profesor Pani los vean directamente. "Son una especie de mensajero del espacio-tiempo alrededor de estos objetos, sin utilizar ningún intermedio, " él dijo.

Al estudiar las características de estas ondas es posible obtener información sobre la masa, rotación, radio y velocidad de estos objetos previamente invisibles. "El objetivo de nuestro proyecto es comprender las observaciones de ondas gravitacionales de objetos muy compactos, para que podamos descartar o confirmar otros tipos de objetos, "dijo el profesor Pani.

Según la relatividad general, la fusión de dos objetos muy compactos, como las enanas blancas, estrellas de neutrones o agujeros negros:harán que el objeto final colapse para formar un agujero negro. Pero existen teorías alternativas que predicen que también podrían formar objetos de masa y radio similares a los de los agujeros negros, pero sin un horizonte de eventos. Por tanto, estos misteriosos objetos compactos tendrían una superficie que reflejaría ondas gravitacionales.

"Si hay una superficie, después de una fusión de los objetos, debería haber ecos de ondas gravitacionales, por lo que una señal que se refleja desde la superficie, "Explicó el profesor Pani. Debería ser posible detectar estos ecos en las señales recogidas aquí en la Tierra.

Materia oscura

Hay otra explicación sin embargo, que llevaría a que los agujeros negros produzcan inesperadamente ecos u otras características de ondas gravitacionales inexplicables:podrían estar sentados en un baño de materia oscura, una forma hipotética de materia que aún no se ha visto, pero que se cree que representa el 85% de toda la materia del universo. Esto también podría producir una onda gravitacional distintiva y reveladora.

"La materia oscura interactúa muy poco con cualquier otra cosa, por lo que es muy difícil de probar en el laboratorio, ", dijo el profesor Pani. Pero al buscar señales distintas en las ondas gravitacionales podría permitir a los científicos 'verlas' por primera vez.

Algunas observaciones gravitacionales solo pueden explicarse por la presencia de materia oscura, que no podemos ver, o cambiando nuestras leyes de gravedad. Profesor Ulrich Sperhake, físico teórico de la Universidad de Cambridge, REINO UNIDO, y científico principal del proyecto StronGrHEP, describió las ondas gravitacionales como una "nueva ventana al universo" que podría ayudarnos a desentrañar estos misterios.

Si hay toda esta materia oscura colgando alrededor de dos agujeros negros a medida que se fusionan, entonces esto absorbería energía.

Significaría que en una colisión de un agujero negro como la detectada por LIGO, las ondas gravitacionales se verían un poco diferentes de lo que serían sin materia oscura.

Un acertijo de observación sobre el que podrían arrojar luz es por qué las galaxias giran más rápido de lo que su tamaño sugiere que deberían hacerlo. "La velocidad de rotación está relacionada con la masa que hay en su interior, ", dijo el profesor Sperhake. Entonces, si una galaxia gira más rápido que la masa que podemos ver, Hay dos posibles explicaciones:o necesitamos alterar nuestras teorías fundamentales de cómo funciona la gravedad o hay materia oscura en las galaxias que no podemos ver.

Una idea que está investigando el profesor Sperhake es ampliar la relatividad general de Einstein con una nueva teoría, denominado gravedad tensor escalar. Esto sugiere que el universo está lleno de un campo adicional, similar a un campo magnético o eléctrico, que aún no se ha detectado.

Significaría que la explosión de supernova de una estrella moribunda no solo sería visible como una explosión de ondas gravitacionales, pero habría un resplandor de ondas gravitacionales que podríamos detectar. Podríamos dirigir LIGO a regiones del cielo donde las estrellas han explotado, conocidas como supernovas, para tratar de detectar un resplandor del campo escalar que puede persistir siglos después de la explosión real.

Por separado, El profesor Sperhake está investigando si la materia oscura podría explicarse mediante partículas subatómicas teóricas llamadas axiones. Está tratando de modelar cómo se verían los ecos de las ondas gravitacionales de los agujeros negros si estas partículas estuvieran presentes.

"Yo diría que los axiones son uno de los mejores candidatos para la materia oscura, ", dijo. El siguiente paso es aplicar sus modelos a los datos que recopila LIGO para ver si la teoría y la observación coinciden.

Hermosa teoría

El Dr. Richard Brito se unió al grupo del Prof. Pani en Italia a principios de este año como parte de su propio proyecto, FunGraW para usar ondas gravitacionales para probar la existencia de partículas de axiones. Pero también los usará para probar la propia teoría de Einstein y si puede ser incorrecta a grandes escalas.

"Si vemos objetos casi tan compactos como agujeros negros pero sin un horizonte de eventos, eso significa que la relatividad general está equivocada en esas escalas, " él dijo.

Podría tener importantes implicaciones cotidianas. La teoría de la relatividad general es crucial para el funcionamiento diario del GPS, por ejemplo. Pero encontrar que la teoría de Einstein se derrumba a gran escala no significa que deba descartarse. Bastante, podría ser necesario un apéndice.

"Te resultaría difícil igualar la claridad matemática de la teoría de Einstein, " said Prof. Sperhake. "It is not only amazing because of all the fantastic predictions it does. It has the appeal of being a beautiful theory. And physicists interestingly regard beauty as an important ingredient in a theory."