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EL FIN DE LAS ESTRELLAS MASIVAS

La onda gravitacional

 

Supernovas y estrellas de neutrones
Una supergigante
Una supernova
Nucleosíntesis estelar
Una estrella de neutrones
Un púlsar
La radiación de los púlsares

Las fuentes X y gamma
Las fuentes de rayos X
El enigma de las explosiones de rayos gamma
El origen dlas explosiones de rayos gamma

La relatividad restringida
El fin del espacio absoluto
La relatividad restringida
La dilatación del tiempo
La contracción del espacio y el espacio-tiempo

La relatividad general
El principio de equivalencia
La relatividad general y la curvatura del espacio-tiempo
Las verificaciones de la relatividad general
La onda gravitacional
La lente gravitacional

Los agujeros negros
Un agujero negro
El espacio-tiempo alrededor de un agujero negro
Un agujero negro histórico: Cygnus X-1

 

 

 

 

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Imagen que ofrece una fotografía del sol en rayos x. Crédito: NASA Goddard Laboratory for Atmospheres

 

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Visión artística de un agujero negro con disco de acreción. Crédito: Jörn Wilms (Tübingen) et al.; ESA

La onda gravitacional

Una de las predicciones de la relatividad general va probablemente a desempeñar un papel clave en la astronomía del futuro. Cuando un cuerpo masivo está sometido a una aceleración, el espacio-tiempo alrededor de él debe reajustarse permanentemente, lo que se traduce por ligeras perturbaciones que se propagan a la velocidad de la luz. Las llamamos ondas gravitacionales.

La emisión de ondas gravitacionales

Una prueba indirecta de la existencia de estas ondas fue aportada en 1974 por los astrofísicos americanos Joseph Taylor y Russell Hulse. En esta época, estudiaban el púlsar PSR1913+16, que tenía la particularidad de ser miembro de un sistema binario constituido por dos estrellas de neutrones. Estudiando las emisiones de radio del púlsar, los dos astrónomos estuvieron en condiciones de determinar el período orbital del par. Entonces, se dieron cuenta que éste disminuía ligeramente en una milésima parte de segundo al año. Este fenómeno fue interpretado como la consecuencia de la emisión de ondas gravitacionales.

En efecto, las dos estrellas de neutrones, siendo rápidas y masivas, su movimiento da lugar a una fuerte emisión de ondas gravitacionales que se llevan con ellas mucha energía. Por lo tanto, el sistema binario debe perder un poco de su energía, lo que se traduce en una disminución de la distancia entre las dos estrellas y en una reducción de su período orbital, exactamente el efecto observado por Taylor y Hulse.

La disminución del período medido en 1974 era exactamente la que la relatividad general preveía para una estrella binaria que emitía ondas gravitacionales. Fue, pues, una nueva verificación de la teoría, pero sobre todo una prueba indirecta de la existencia de estas ondas.

La astronomía del futuro

La interacción gravitacional, aunque domina a gran escala, es extremadamente débil a una escala microscópica. En consecuencia, las ondas gravitacionales interactúan muy poco con la materia. Atraviesan sin problema las concentraciones de masa más fuertes, por ejemplo, una estrella de neutrones. El Universo es en cierto modo transparente a las ondas gravitacionales.

Esta propiedad, de hecho, es una herramienta de elección para la astronomía. En efecto, numerosos procesos astrofísicos nos son totalmente inaccesibles. Por ejemplo, solo podemos observar la superficie de las estrellas, ya que la radiación de las regiones internas no puede escaparse. El estudio de las ondas gravitacionales emitidas por estos procesos nos permitiría estudiarlos directamente.

Esta posibilidad abriría la vía al estudio de algunos de los fenómenos más interesantes de la astronomía: colapso gravitacional de las estrellas masivas, fusión de dos estrellas de neutrones en un sistema binario, procesos implicados en el centro de las galaxias, o bien todos los fenómenos asociados a los agujeros negros.

 

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El interferómetro franco-italiano VIRGO, cerca de Pisa, está compuesto por dos brazos ortogonales de tres kilómetros. Este instrumento utiliza el principio del interferómetro de Michelson para medir ínfimas variaciones relativas de la longitud de los brazos, causadas por el paso de ondas gravitacionales. Crédito: CNRS / INFN

La detección de las ondas gravitacionales

Esta ventaja de las ondas gravitacionales se hace un inconveniente cuando se trata de detectarlas. Cuando una onda gravitacional atraviesa un objeto, el paso se manifiesta por oscilaciones de éste. Un círculo, por ejemplo, se transforma momentáneamente en una elipse. Así, debería ser fácil detectar el paso de una onda gravitacional, pero las perturbaciones son extremadamente débiles y muy difíciles de observar.

Para fijarse las ideas, imaginemos que una supernova estalla en nuestra Galaxia. Se trata allí de un caso muy favorable que debería conducir a una fuerte dosis de ondas gravitacionales al nivel de la Tierra. La variación relativa de tamaño sólo sería, sin embargo, de una mil millonésima parte de mil millonésima parte, el equivalente de un cambio de una fracción de micrómetro en la distancia del Sol a la Tierra. Tal precisión está claramente fuera de alcance en la actualidad.

Los astrofísicos aceptaron una vez más el desafío. Varios grandes instrumentos, en particular VIRGO y LIGO, se están construyendo. Son todos los interferómetros que funcionan según el mismo principio que el sistema de Albert Michelson.

La radiación procedente de un láser se divide en dos haces. Éstos son enviados en direcciones perpendiculares, luego reflejados por espejos y, finalmente, recombinados. El análisis de la luz, después de la recombinación, permite decir si se perturbó la duración de propagación de la luz en una de las direcciones. Si tal es el caso, eso significa que la distancia recorrida por uno de los haces varió ligeramente bajo el efecto del paso de una onda gravitacional.

Dada la debilidad de los efectos a medir, estos interferómetros deben ser muy sensibles. En particular la distancia recorrida por la luz debe ser lo más grande posible. Por esta razón, estos detectores son gigantescos, sus brazos tienen varios kilómetros de longitud. Es también crucial reducir todas las fuentes de ruido parásito, muy especialmente los de origen sísmico o térmico.

A pesar de todas estas dificultades, el optimismo es de rigor y los próximos años deberían ver el nacimiento de una nueva rama de la astronomía, el estudio del Universo por medio de ondas gravitacionales.

El proyecto NGO (antiguamente LISA)

Acabemos por un proyecto todavía más ambicioso. En efecto, un detector en la superficie de la Tierra siempre estará muy limitado. Para mejorar todavía la sensibilidad, el espacio es la única solución. Así, un proyecto espacial de la ESA llamado NGO (New Gravitational wave Observatory) está en estudio. Se trataría de un conjunto de satélites trabajando de modo coordinado.

En vez de algunos kilómetros, el tamaño equivalente del detector sería entonces de varios millones de kilómetros. Tal sistema haría posible el estudio de una mayor variedad de fenómenos, así como la detección de acontecimientos mucho más alejados.

 

 

ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA - ANTONIO HERAS - SON FERRER (CALVIÁ)

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