De una u otra manera, conoceremos el Universo

Hace mucho tiempo ya que los físicos tratan de idear instrumentos que les posibilite oír las sinfonías que, las ondas gravitatorias, nos transportan hasta la Tierra desde los lejanos Agujeros negros en colisión y también desde otros objetos cosmológicos cuya densidad, son la fuente de esos mensajes que ahora no sabemos leer. El día que eso sea posible, seguramente conoceremos un nuevo Universo.

Puesto que la curvatura espacio-temporal es similar o lo mismo que la gravedad, estas ondulaciones de curvatura son realmente ondas de gravedad, u ondas gravitatorias. La teoría de la relatividad general de Einstein predice, de forma inequívoca, que tales ondas gravitatorias deben producirse siempre que dos agujeros negros orbiten uno en torno al otro; y también siempre que dos estrellas orbiten una en torno a la otra.

Cuando parten hacia el espacio exterior, las ondas gravitatorias producen una reacción sobre los agujeros de la misma forma que una bala hace retroceder el fusil que la dispara. El retroceso producido por las ondas aproxima más los agujeros y les hace moverse a velocidades mayores; es decir, hace que se muevan en una espiral que se cierra lentamente y se vayan acercando. Al cerrarse la espiral se libera poco a poco  energía gravitatoria, una mitad de la cual va a las ondas y la otra mitad va a incrementar las velocidades orbitales de los agujeros.

Finalmente, cuando los agujeros adquieren una velocidad que es una fracción considerable de c, los horizontes se tocan y terminan por fusionarse, donde una vez hubo dos agujeros ahora sólo hay uno. El horizonte del agujero giratorio queda perfectamente liso y con su sección ecuatorial circular, con la forma descrita precisamente por la solución de Kerr a la ecuación de campo de Einstein.

Sin embargo, la historia del suceso no se ha perdido por completo: ha quedado un registro codificado en las ondulaciones de la curvatura espacio-temporal que emitieron los agujeros coalescentes. Dichas ondulaciones de curvatura son muy parecidas a las ondas sonaras de una sinfonía y, de la misma manera que las ondas sonaras llevan su sinfonía codificada desde la orquesta hasta la audiencia, también las ondulaciones de curvatura llevan su historia codificada desde los agujeros fusionados hasta el Universo distante.

Las ondulaciones de curvatura viajan hacia fuera por el tejido del espacio-tiempo a través del aglomerado de estrellas y gas del que nacieron los agujeros. Y, lo más interesante es que, cuando sepamos leer y oír estas sinfonías, también sabremos medir, con tremenda precisión, las masas de los agujeros negros que las produjeron, así como la rapidez de giro, la forma de sus órbitas y un sin fin de datos que, ahora, al no saber captar y leer dichas ondas, se nos escapan.

Las ondas gravitatorias nos dan la oportunidad de conocer, de otra manera muy distinta a nuestro Universo del que sólo tenemos la imagen que nos dan las ondas electromagnéticas.

La intensidad del campo gravitatorio que se genera alrededor de un agujero negro, proporciona una vía para explorar el comportamiento de la materia en condiciones de gravedad extrema y ver en acción algunos efectos de la Relatividad General. Aunque, por definición, un agujero negro no deja escapar radiación alguna, la materia que cae hacia el mismo no puede desprenderse de forma instantánea de su momento angular, y se dispone a su alrededor en forma de un disco de acreción.

El disco se calienta a temperaturas muy elevadas en sus zonas más internas y emite abundante radiación en longitudes de onda de rayos X o ultravioleta. Una corona de electrones relativistas alrededor del disco, se ocupa de incrementar la energía de esta radiación mediante efecto Compton inverso (es decir, la radiación adquiere energía de los electrones), con lo que el entorno incandescente de un agujero negro acaba produciendo cantidades ingentes de rayos X.

Las órbitas de la materia que circunda el agujero negro constituye un buen escenario para ver la Relatividad General en acción. En efecto, la última órbita circular estable alrededor del agujero negro marca lo cerca que el disco de acreción puede cerrarse alrededor del mismo. El radio de dicha órbita, y la correspondiente frecuencia orbital, son magnitudes potencialmente observables a través del espectro de potencias de la emisión de rayos X. El hecho es que el radio de la órbita más cercana al agujero negro (o estrella compacta) depende de si el objeto está o no en rotación: en ausencia de rotación este radio es 3Rs (Rs =2GM//c2 es el radio de Schwarlzschild) y para rotación máxima puede llegar a 0,5 Rs.

Aunque la interpretación de los espectros de potencias en la emisión de rayos X alrededor de estrellas de neutrones y agujeros negros es compleja, la existencia de picos en alta frecuencia se puede interpretar en términos de la existencia de una última órbita estable; esta puede permitir en el futuro medir los parámetros de la métrica de Kerr (masa M y momento angular por unidad de masa α = JM/c del agujero negro).

Pero quizás la evidencia más espectacular de los efectos relativistas alrededor de los agujeros negros ha venido de la interpretación del espectro de los rayos X (distribución de la luz por energías o longitudes de onda) en los agujeros negros gigantes que existen en el centro de las galaxias activas y en agujeros negros de masa estelar.

En menos de cincuenta años, la utilización de observaciones astronómicas en rayos X se ha afianzado como un ingrediente fundamental de la astronomía moderna. En particular, en condiciones en las que el campo gravitatorio juega un papel dominante. Los rayos X revelan un Universo muy energético, con los efectos predichos por la Relatividad General, y una capacidad única para detectar y estudiar materia a temperaturas de mucho millones de grados.

Han pasado cinco décadas desde que fue descubierta esta tecnología pionera de los rayos X que ha permitido avanzar a pasos agigantados en nuestra comprensión del Universo en rayos X. Hoy en día se construyen telescopios capaces de formar imágenes de rayos X con una resolución angular de 1 segundo de arco (en el Observatorio Chandra de la NASA) parecido a lo que obtiene un telescopio óptico terrestre.

Está claro que, el avance de los conocimientos que sobre el Universo vamos adquiriendo son cada vez más profundos y, las nuevas tecnologías nos permiten avanzar a una velocidad que muchas veces sorprende. Si tenemos en cuenta la enormidad de la grandeza del Universo y hasta donde hemos sido capaces de sondearlo (miles de millones de años luz), es como para maravillarse. No deja de ser sorprendente que una especie inteligente situada en un planeta minúsculo en una Galaxia que sólo es, una entre cien mil millones, puedan haber conseguido tanto en tan poco tiempo. Pensar en la tarea de desvelar los secretos del Universo tiene que ser medida por el parámetro del tiempo por el que se rige el propio Universo, y, siendo así, el que nosotros llevamos empleado en descubrirlo, es menos que un pestañeo comparado con los 13.700 millones de años transcurridos.

El día que sepamos entender los mensajes que nos están enviando las ondas gravitatorias, ese día, conoceremos otro aspecto del Universo que, hasta el momento ha permanecido oculto.

emilio silvera

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