Cuando los objetos más densos del universo colisionan y se fusionan, la violencia desencadena ondas gravitacionales que reverberan en el espacio y el tiempo a lo largo de cientos de millones e incluso miles de millones de años. Al atravesar la Tierra, estas ondas cósmicas son apenas perceptibles.

Y sin embargo, los científicos pueden detectarlas gracias a una red global de observatorios de ondas gravitacionales: el Observatorio de Interferometría Láser para Ondas Gravitacionales (NSF LIGO) de Estados Unidos, el interferómetro Virgo en Italia y el Detector de Ondas Gravitacionales de Kamioka (KAGRA) en Japón. Juntos, los observatorios “escuchan” las leves oscilaciones en el campo gravitacional que podrían haber surgido de choques astrofísicos lejanos.

Ahora, la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) está publicando su última compilación de detecciones de ondas gravitacionales, presentada en un próximo número especial de Astrophysical Journal Letters. A partir de los hallazgos, parece que el universo está resonando por todas partes con un caleidoscopio de colisiones cósmicas.

El Catálogo Transitorio de Ondas Gravitacionales-4.0 (GWTC-4) de LVK comprende detecciones de ondas gravitacionales de una parte de la cuarta y más reciente corrida de observación de los observatorios, que tuvo lugar entre mayo de 2023 y enero de 2024. Durante este período de nueve meses, los observatorios detectaron 128 nuevos “candidatos” a ondas gravitacionales, lo que significa que las señales probablemente provienen de fuentes astrofísicas extremas y lejanas. (LVK ha detectado alrededor de 300 fusiones hasta ahora en esta cuarta corrida, pero no todas aparecen aún en el catálogo LVK.)

Esta nueva tanda más que duplica el tamaño del catálogo de ondas gravitacionales, que anteriormente contenía 90 candidatos recopilados de las tres corridas anteriores.

“La hermosa ciencia que podemos hacer con este catálogo es posible gracias a mejoras significativas en la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales así como a técnicas de análisis más potentes”, dice Nergis Mavalvala, miembro de LVK, decana de la Escuela de Ciencia del MIT y profesora Curtis y Kathleen Marble de Astrofísica.

“En la última década, la astronomía de ondas gravitacionales ha progresado desde la primera detección
hasta la observación de cientos de fusiones de agujeros negros”, dice Stephen
Fairhurst, profesor en la Universidad de Cardiff y portavoz de la Colaboración Científica LIGO.
“Estas observaciones nos permiten entender mejor cómo se forman los agujeros negros a partir del colapso de estrellas masivas, explorar la evolución cosmológica del universo y proporcionar confirmaciones cada vez más estrictas de la teoría de la relatividad general.”

“Empujando los límites”

Los agujeros negros se crean cuando toda la materia de una estrella moribunda colapsa en un solo punto. Por ello, los agujeros negros son algunos de los objetos más densos del universo.
Los agujeros negros a menudo se forman en pares, unidos por la atracción gravitacional. Al girar uno hacia otro en espiral, emiten enormes cantidades de energía en forma de ondas gravitacionales, antes de fusionarse en un agujero negro más masivo.

Un agujero negro binario fue la fuente de la primera detección de ondas gravitacionales, realizada por los observatorios NSF LIGO en 2015, y los agujeros negros en colisión son la fuente de muchas de las ondas gravitacionales detectadas desde entonces. Tales binarias “comunes” suelen consistir en dos agujeros negros de tamaño similar (normalmente varias decenas de veces la masa del Sol) que se fusionan en un agujero negro mayor.

Las ondas gravitacionales también pueden producirse por la colisión de un agujero negro con una estrella de neutrones, que es un núcleo remanente extremadamente denso de una estrella masiva. Mientras que la colisión entre dos agujeros negros solo produce ondas gravitacionales, una colisión que incluye una estrella de neutrones también puede generar luz, lo que proporciona más información sobre el evento que los científicos pueden analizar. En sus primeras tres corridas de observación, los observatorios LVK detectaron señales de un puñado de colisiones entre agujeros negros y estrellas de neutrones, así como dos colisiones entre dos estrellas de neutrones.

Las detecciones más recientes publicadas hoy revelan una mayor variedad de binarias que producen ondas gravitacionales. Además de las binarias de agujeros negros, el catálogo actualizado incluye la binaria de agujeros negros más pesada; una binaria con masas asimétricas y desiguales; y una binaria donde ambos agujeros negros tienen giros excepcionalmente altos. El catálogo también contiene dos binarias de agujero negro-estrella de neutrones.

“El mensaje de este catálogo es: Estamos expandiéndonos a nuevas partes de lo que llamamos ‘espacio de parámetros’ y a una variedad totalmente nueva de agujeros negros”, dice Daniel Williams, coautor, investigador en la Universidad de Glasgow y miembro de LVK. “Realmente estamos empujando los límites, y estamos viendo objetos más masivos, que giran más rápido y que son más interesantes y poco usuales astrofísicamente.”

Señales inusuales

Los observatorios LIGO, Virgo y KAGRA detectan ondas gravitacionales usando instrumentos en forma de L de varios kilómetros, llamados interferómetros. Los científicos envían luz láser por cada túnel y miden con precisión el tiempo que tarda cada haz en volver a su fuente. Cualquier diferencia mínima en su sincronización puede indicar que una onda gravitacional pasó y osciló levemente la luz del láser.

Para el primer segmento de la cuarta corrida de observación de LVK, las detecciones de ondas gravitacionales se hicieron usando solo los interferómetros idénticos de LIGO — uno ubicado en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Luisiana. Mejoras recientes en los detectores de LIGO les permitieron buscar señales de binarias de estrellas de neutrones hasta una distancia de 360 megaparsecs, o alrededor de mil millones de años luz, y señales de binarias que incluyen agujeros negros a distancias decenas de veces mayores.

“Nunca puedes predecir cuándo una onda gravitacional llegará a tu detector”, dice Amanda Baylor, coautora y miembro de LVK, estudiante de posgrado en la Universidad de Wisconsin en Milwaukee que participó en el proceso de búsqueda de señales. “Podríamos tener cinco detecciones en un día, o una detección cada 20 días. El universo es simplemente muy aleatorio.”

Entre las señales más inusuales que LIGO detectó en la primera fase de la corrida O4 está GW231123_135430, que es la binaria de agujeros negros más pesada detectada hasta la fecha. Los científicos estiman que la señal provino de la colisión de dos agujeros negros más pesados de lo habitual, cada uno con aproximadamente 130 veces la masa del Sol. (La mayoría de los agujeros negros detectados en fusión tienen alrededor de 30 masas solares.) Los agujeros negros mucho más pesados de GW231123_135430 sugieren que cada uno podría ser producto de una colisión anterior de agujeros negros “progenitores” más livianos.

Otro caso destacado es GW231028_153006, que es un binario de agujeros negros con el mayor giro en espiral, lo que significa que ambos agujeros negros parecen girar muy rápido, a aproximadamente el 40 % de la velocidad de la luz. Nuevamente, los científicos sospechan que estos agujeros negros también fueron productos de fusiones previas que los aceleraron mientras se creaban a partir de agujeros negros más pequeños en espiral.

La corrida O4 también detectó GW231118_005626 — una pareja inusualmente desigual, con un agujero negro el doble de masivo que el otro.

“Una de las cosas llamativas acerca de nuestra colección de agujeros negros es su amplia gama de propiedades”, dice Jack Heinzel, coautor y miembro LVK, estudiante de posgrado en MIT que contribuyó al análisis del catálogo. “Algunos tienen más de 100 veces la masa de nuestro Sol, otros son tan pequeños como solo unas pocas veces la masa del Sol. Algunos agujeros negros giran rápidamente, otros no tienen giro medible. Todavía no entendemos completamente cómo se forman los agujeros negros en el universo, pero nuestras observaciones ofrecen una visión crucial sobre estas preguntas.”

Conexiones cósmicas

A partir de las detecciones más recientes de ondas gravitacionales, los científicos han comenzado a establecer conexiones sobre las propiedades de los agujeros negros como población.

“Por ejemplo, este conjunto de datos ha aumentado nuestra creencia de que los agujeros negros que colisionaron más temprano en la historia del universo podrían haber tenido giros más grandes que los que colisionaron más tarde”, dice Salvatore Vitale, miembro de LVK, profesor asociado de física en el MIT y miembro del Laboratorio LIGO de MIT.

Esta idea plantea preguntas interesantes sobre qué tipo de condiciones podrían haber acelerado el giro de los agujeros negros en el universo primitivo.

Las nuevas detecciones también han permitido a los científicos poner a prueba la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que describe la gravedad como una propiedad geométrica del espacio y el tiempo.

“Los agujeros negros son una de las predicciones más icónicas y asombrosas de
la relatividad general”, dice Aaron Zimmerman, coautor y miembro LVK, profesor asociado de física en la Universidad de Texas en Austin, agregando que cuando los agujeros negros colisionan, “sacuden el espacio y el tiempo más intensamente que casi cualquier otro proceso que podamos imaginar observar. Al probar nuestras teorías físicas, es bueno examinar las situaciones más extremas que podamos, ya que aquí es donde nuestras teorías probablemente se rompan y donde tenemos la mejor oportunidad de hacer descubrimientos.”

Los científicos pusieron a prueba la teoría de Einstein usando GW230814_230901, que es una de las señales de onda gravitacional “más fuertes” observadas hasta la fecha. La señal sorprendentemente clara dio a los científicos la oportunidad de analizarla en detalle para ver si algún aspecto se desviaba de lo que predice la teoría de Einstein.
Esta señal llevó los límites de las pruebas de la relatividad general, superando la mayoría con éxito, pero mostrando cómo el ruido ambiental puede dificultar otras pruebas en un escenario tan extremo.

“Hasta ahora, la teoría está pasando todas nuestras pruebas”, dice Zimmerman. “Pero también estamos aprendiendo que tenemos que hacer predicciones aún más precisas para ponernos al día con todos los datos que el universo nos está dando.”

El catálogo actualizado también está ayudando a los científicos a resolver un misterio clave en cosmología: ¿Qué tan rápido se está expandiendo hoy el universo? Los científicos han intentado responder midiendo una tasa conocida como la constante de Hubble. Diversos métodos, usando diferentes fuentes astrofísicas, han dado respuestas contradictorias.

Las ondas gravitacionales ofrecen una forma alternativa de medir la constante de Hubble, ya que los científicos pueden calcular, de manera relativamente directa, qué tan lejos viajaron estas ondas desde su fuente.

“Los agujeros negros en fusión tienen una propiedad realmente única: podemos determinar qué tan lejos están de la Tierra solo analizando sus señales”, dice Rachel Gray, coautora y miembro LVK, profesora en la Universidad de Glasgow que participó en las interpretaciones cosmológicas de los datos del catálogo. “Entonces, cada agujero negro que se fusiona nos da una medición de la constante de Hubble y, al combinar todas las fuentes de ondas gravitacionales, podemos mejorar enormemente la precisión de esta medición.”

Al analizar todas las detecciones de ondas gravitacionales en todo el catálogo LVK, los científicos han elaborado una nueva estimación independiente de la constante de Hubble, que sugiere que el universo se está expandiendo a una tasa de 76 kilómetros por segundo por megaparsec (un volumen cúbico de aproximadamente medio millar de millones de años luz de ancho).

“Todavía es temprano para este método, y esperamos mejorar significativamente nuestra precisión al detectar más fuentes de ondas gravitacionales,” dice Gray.

“Cada nueva detección de ondas gravitacionales nos permite desbloquear otra pieza del rompecabezas del universo de maneras que simplemente no podíamos hace una década,” dice Lucy Thomas, quien lideró parte del análisis del catálogo y es investigadora postdoctoral en el Laboratorio LIGO de Caltech. “Es increíblemente emocionante pensar en qué misterios y sorpresas astrofísicas podremos descubrir con futuras corridas de observación.”

Autor