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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 de las 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
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.
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. |
