Astronomía del siglo XXI: ondas gravitacionales


Durante el siglo XX la astronomía progresó del estudio exclusivamente de la luz de los astros al de todo tipo de radiación electromagnética, desde las ondas de radio hasta los rayos X y gamma, pasando por la luz infrarroja y la ultravioleta. Mediante el diseño y construcción de radiotelescopios y satélites astronómicos hemos podido abrir estas ventanas al Universo. No sólo hemos complementado nuestro conocimiento de la naturaleza de los cuerpos celestes "clásicos", como son los planetas, las estrellas y las galaxias, sino que además hemos descubrierto nuevos fenómenos como los pulsares y cuasares, y hemos podido estudiar con detalle la gran explosión que originó al Universo. En paralelo, el desarrollo de la física ha mostrado que existen otras formas de estudiar el Universo, con la promesa de una visión nueva del cosmos: los neutrinos y las ondas gravitacionales. La única observación de neutrinos de algún objeto celeste aparte del Sol fue la detección de diecinueve neutrinos provenientes de supernova SN1987a, primera prueba directa de que las supernovas se producen por el colapso de estrellas de neutrones. Mientras que la astronomía de neutrinos ya ha empezado a dar sus primeros pasos, aun queda pendiente ver si durante el naciente siglo XXI podremos estudiar el Universo mediante la observación de ondas gravitacionales.

La teoría general de la relatividad establece que la gravedad se propaga con una velocidad finita e igual a la de la luz. Albert Einstein predijo en 1916 la existencia de ondas gravitacionales y él mismo publicó dos años después un artículo con el cálculo de la energía que emitiría en forma de ondas gravitacionales algún objeto celeste. Este cálculo se resume en una fórmula similar a la que determina la energía que emite en ondas electromagnéticas un sistema de cargas, aunque con un par de diferencias importantes. Además de que la fuerza gravitacional es intrínsecamente mas débil que la electromagnética, una diferencia física importante entre ambas radica en que mientras que existen cargas positivas y negativas, no existe (hasta donde sabemos) masas negativas. Como resultado no es posible construir el análogo gravitacional de una simple antena de radio y la emisión (y detección) de ondas gravitacionales es intrínsecamente un proceso mas ineficiente que el de emisión (y detección) de ondas electromagnéticas.

En el artículo de 1918, Einstein consideró la emisión de ondas gravitacionales debida a estrellas como el Sol en rotación alrededor de su propio eje o en sistemas binarios, concluyendo la imposibilidad de detectar esta radiación gravitacional. Por mas de medio siglo las ondas gravitacionales no pasaron de ser un ejercicio intelectual, hasta el descubrimiento de las estrellas de neutrones y los hoyos negros. En 1973 Joseph Taylor y Robert Hulse descubrieron el pulsar binario PSR 1913+16, constituido por dos estrellas de neutrones rotando una alrededor de la otra cada seis horas. Después de algunos años de, literalmente, "tomarle el pulso" a este objeto, Taylor y Hulse pudieron demostrar que el periodo orbital disminuye muy lentamente, pero en acuerdo perfecto con la fórmula de Einstein, trabajo que les valió el premio Nóbel. Además de constituir la evidencia mas firme de que la relatividad general es la descripción correcta de la gravitación, el estudio de PSR 1913+16 indica indirectamente que este objeto emite ondas gravitacionales. Es el único objeto celeste para el que podemos estimar confiablemente cuanta energía gravitacional es emitida y la posibilidad de detectarla. Desafortunadamente, es casi seguro que la emisión de PSR 1913+16 está por debajo del umbral de detección de los detectores de ondas gravitacionales en desarrollo.

Sin embargo no todo está perdido: dentro de doscientos millones de años la órbita de este sistema de estrellas de neutrones se habrá reducido tanto que estas chocaran en un evento catasclísmico, evento del tipo que creemos producen los enigmáticos estallidos de rayos gamma descubiertos en los años setenta. En unos cuantos segundos las dos estrellas se desgarrarán entre sí y PSR 1913+16 emitirá una enorme cantidad de ondas gravitacionales, pudiendo ser detectado por instrumentos como los que pronto estarán en funcionamiento. Si bien ni nosotros ni nuestros lectores podremos atestiguar este evento, las estimaciones recientes del número de pulsares binarios y de la emisión de ondas gravitacionales durante el choque de estrellas de neutrones sugieren la viabilidad de detectar uno de estos sistemas en los próximos diez o veinte años. Existe aun mucho camino por avanzar tanto en el desarrollo de detectores de ondas gravitacionales como en el cálculo de la energía liberada durante el choque de estrellas de neutrones entre sí y con hoyos negros, para tener una idea realista de las características que deben tener estos detectores. Pero si bien el panorama no es tan alentador como quisieramos, hay confianza en que durante el siglo XXI se iniciará el estudio de fuentes celestes de ondas gravitacionales.


Esperanza Carrasco Licea & Alberto Carramiñana Alonso
Diario Síntesis, 9 de enero del 2001

Escríbenos: bec@inaoep.mx