El Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València, en grupos internacionales que investigan sobre ondas gravitatorias

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El Departamento de Astronomía y Astrofísica (DAA) de la Universitat de València, que dirige José Antonio Font, participa activamente en la modelización numérica de fuentes astrofísicas y cosmológicas de radiación gravitatoria, a través de los grupos de investigación ‘Computational Astrophysics and Cosmology’ (COMPAC) y ‘Computer-Aided Modelling in Astrophysics’ (CAMAP). La detección de olas gravitatorias, anunciada este jueves en Washington es el resultado de una colaboración internacional multidisciplinar.

Entre los resultados más relevantes de los grupos COMPAC y CAMAP resultados más relevantes se puede mencionar la obtención de un catálogo de radiación gravitatoria de colapso estelar, utilizado por grupos de análisis de datos de los detectores interferométricos con objeto de diseñar filtros y métodos para facilitar la detección. También se han obtenido patrones de radiación de colapso estelar magnetizado a estrellas de neutrones o de la formación de agujeros negros en el modelo colapsar de erupciones de rayos gamma. Investigadores de los grupos mencionados estudian, además, la radiación gravitatoria emitida en la colisión de estrellas de neutrones en sistemas binarios, en discos de acrecimiento alrededor de agujeros negros, en pulsaciones de estrellas relativistas en rotación, y en la colisión de galaxias. Miembros del DAA forman parte de la Red Temática de Ondas Gravitacionales “Redongra” financiada por el MINECO, junto con otras 8 universidades nacionales, entre las que se encuentra la Universitat de les Illes Balears, la única universidad nacional que participa en la LSC y dos de cuyos representantes aparecen en el artículo que detalla el descubrimiento.

También puede señalarse que el director del DAA es miembro electo de la Junta Directiva de VESF (Virgo-EGO Scientific Forum), foro constituido para el desarrollo científico alrededor del interferómetro Virgo.

Este jueves jueves, 11 de febrero, a las 16:30 hora local, representantes de la colaboración científica LSC (de las siglas en inglés LIGO Scientific Collaboration; LIGO es a su vez el acrónimo de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), reunidos en la sede de la National Science Foundation (Washington, EE.UU.), anunciaron la detección de ondas gravitatorias, un logro científico sin precedentes. La señal detectada procede de la colisión de dos agujeros negros de 29 y 36 masas solares. Durante la colisión, 3 masas solares fueron emitidas en ondas gravitatorias.

El anuncio de la detección ha coincidido con la publicación del artículo científico en Physical Review Letters. Con esta detección no sólo se confirma, tras décadas de búsqueda, la existencia de la radiación gravitatoria sino que, además, se confirma también la propia existencia de los agujeros negros. No parece exagerado decir que podemos estar ante el descubrimiento del siglo.

Salvando las distancias, temporales y tecnológicas, el hallazgo anunciado ayer es comparable a las primeras observaciones astronómicas de Galileo, en 1609, con un anteojo fabricado por él mismo. Tales observaciones cambiaron nuestra  visión del mundo y merecieron ser conmemoradas con la proclamación (por parte de la UNESCO) del año 2009 como el Año Internacional de la Astronomía.

Las ondas gravitatorias fueron predichas por Albert Einstein en su Teoría General de la Relatividad, de cuya publicación se cumple este año su primer centenario. Dichas ondas se interpretan como ondulaciones del tejido del espacio-tiempo generadas en escenarios astrofísicos y cosmológicos en los que confluyen tanto dinámicas violentas, con velocidades comparables a la de la luz, como campos gravitatorios ultraintensos, en los que la aceleración de la gravedad es miles de millones de veces mayor que en la superficie de nuestro Sol (que, a su vez, es mil veces mayor que en la superficie terrestre). Por extremas que parezcan, estas condiciones se dan de manera habitual en escenarios caracterizados por la presencia de los denominados objetos compactos, tales como las enanas blancas, las estrellas de neutrones y, en particular, los agujeros negros, tanto los de origen estelar como los agujeros negros supermasivos existentes en el núcleo de galaxias.

La detección anunciada ayer se ha conseguido utilizando un dispositivo experimental denominado interferómetro de Michelson-Morley, que utiliza la propiedad física de que una onda gravitatoria produce fuerzas de marea sobre cualquier objeto. Al paso de una onda gravitatoria, las variaciones relativas en las posiciones de las masas del detector se analizan estudiando el recorrido del haz de un láser a lo largo de los dos brazos del dispositivo. El cambio (infinitesimal) en la distancia recorrida por el láser origina un cambio en la intensidad de la luz observada a la salida del detector. El patrón de interferencia del láser pasa de ser destructivo (cuando no hay onda) a constructivo (al paso de una onda). Detectar una señal gravitatoria con este tipo de dispositivos es un desafío equivalente a medir una variación inferior al tamaño de un núcleo atómico en una unidad astronómica (distancia entre la Tierra y el Sol, unos 150 millones de kilómetros). Por tal motivo se ha tardado tanto tiempo en detectarlas. Hasta el anuncio de ayer, sólo habían sido indirectamente “detectadas” en conexión con el descubrimiento en 1974 del púlsar binario PSR 1913+16 por los radioastrónomos Russell Hulse y Joseph Taylor (galardonados con el prémio Nobel de Física en 1993).

El descubrimiento se ha realizado en el interferómetro estadounidense Advanced-LIGO, que consta de dos detectores separados por unos 3000 km, uno situado en Livingston, Louisiana y el otro en Hanford, Washington.

Además de estos dos, hay observatorios de ondas gravitatorias también en Europa, GEO600 en Hannover (Alemania) y que es parte de la LSC, y VIRGO cerca de Pisa (Italia), además del detector japonés KAGRA (en construcción). También existen estudios de diseño de detectores de tercera generación en Europa (Einstein Telescope) además del detector espacial eLISA que tiene ya asignada fecha de lanzamiento en 2034 como misión L3 de la ESA. Además, el satélite LISA Pathfinder, el prototipo para calibrar las posibilidades de éxito de la misión eLISA y que cuenta con participación española (IEEC), fue puesto en órbita el pasado 2 de diciembre de 2015. Sin duda, estamos asistiendo al nacimiento de la astronomía de radiación gravitatoria, y el anuncio de su detección directa va a contribuir a potenciar enormemente la investigación en este campo.

El resultado experimental anunciado ayer no hubiera sido posible sin un esfuerzo teórico internacional igualmente importante, liderado por la Relatividad Numérica, disciplina de la Relatividad General dedicada a la búsqueda de soluciones numéricas de las ecuaciones de Einstein por medio de simulaciones por superordenador. Desde sus inicios (finales de los años 60), la Relatividad Numérica ha producido patrones de señales de radiación gravitatoria con los que facilitar la detección de las señales reales pues, debido a su pequeña amplitud, éstas están completamente ocultas por el ruido del detector. La Relatividad Numérica ha conseguido resolver la formación de agujeros negros como resultado del colapso gravitatorio de estrellas masivas y la colisión de objetos compactos en binarias de estrellas de neutrones o agujeros negros. Este último ejemplo, el problema de dos cuerpos en Relatividad General, pudo finalmente resolverse en 2006. El tren de ondas de la radiación gravitatoria obtenido en las soluciones numéricas se caracteriza por la presencia de una señal tipo “chirp” (una señal sinusoidal que aumenta en frecuencia y amplitud conforme los dos agujeros negros se aproximan), seguida de una señal tipo “burst” cuando los dos agujeros negros se fusionan, para acabar con una señal tipo “ringdown” que corresponde al decaimiento exponencial de la amplitud de las oscilaciones del agujero negro final. Es remarcable señalar que esta señal característica de las binarias de agujeros negros coincide plenamente con la señal detectada por Advanced-LIGO.
Si el telescopio de Galileo fue precursor de los actuales observatorios astronómicos (terrestres y en el espacio) y sus observaciones abrieron la ventana electromagnética a la observación del Universo, el acontecimiento anunciado ayer jueves 11 de Febrero de 2016 supone, sin ninguna duda, la inauguración de la apertura de la ventana gravitatoria para la observación del Universo. Un cosmos nuevo va a aparecer ante los ‘ojos’ de los observatorios de ondas gravitatorias, complementando la ingente cantidad de información recibida en la totalidad del espectro electromagnético y la que recibiremos, en un futuro no muy lejano, mediante los telescopios de neutrinos. Nuevas generaciones de jóvenes investigadores están llamadas a  participar en esta nueva aventura científica: la observación del Universo a través de las ondas gravitatorias.

El hallazgo histórico anunciado ayer demuestra que, como en tantas ocasiones precedentes, Einstein vuelve a tener razón. Parafraseando a la física y periodista Marcia Bartusiak, la sinfonía inacabada de Einstein acaba de ser completada.

Enlaces:
LIGO: https://ligo.caltech.edu/
Advanced LIGO: https://www.advancedligo.mit.edu/
Virgo: https://www.ego-gw.it/public/virgo/virgo.aspx
eLISA: elisascience.org
LISA Pathfinder: http://sci.esa.int/lisa-pathfinder/
VESF: https://www.ego-gw.it/public/vesf/vesf.aspx


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