Los físicos teóricos han dado con una nueva forma de probar la teoría de la gravedad de Albert Einstein, o la relatividad general, y, solo tal vez, sondear el universo distante en busca de objetos diminutos y difíciles de detectar. Las ondas gravitacionales (ondas en el espacio que se desencadenan cuando objetos masivos como los agujeros negros giran juntos y chocan) deberían rebotar en otros objetos masivos para producir ecos de las señales que llegan directamente a la Tierra, predicen los teóricos. Estos «destellos gravitatorios» podrían servir como una especie de radar para detectar enanas blancas, estrellas de neutrones y otros cuerpos estelares que son difíciles de ver más allá de nuestra galaxia.
Si la relatividad general es correcta, el eco tiene que existir en algún nivel, dice Craig Copi, físico teórico de la Universidad Case Western Reserve y autor principal del artículo. Aún así, advierte, «eso no garantiza que sea observable».
De acuerdo con la relatividad general, los objetos masivos como las estrellas y los planetas deforman el espacio-tiempo para crear el efecto que llamamos gravedad. Cuando dos objetos masivos, como un par de agujeros negros, giran juntos, la colisión debería irradiar ondas gravitacionales en todas las direcciones.
Desde 2015, los científicos han podido detectar esas ondas increíblemente débiles, utilizando enormes instrumentos ópticos en forma de L llamados interferómetros, como los dos del Observatorio de ondas gravitacionales interferométricas láser (LIGO) en Luisiana y el estado de Washington, y el detector Virgo cerca de Pisa, Italia. Juntos, los detectores han observado docenas de señales de ondas gravitacionales fugaces, la mayoría provenientes de la fusión de dos agujeros negros.
Pero a veces, esa señal debería ir acompañada de un eco considerable que llega una fracción de segundo más tarde, predicen Copi y Glenn Starkman, un teórico de Case Western. Consideran un objeto compacto como una enana blanca o una estrella de neutrones que se encuentra cerca, pero no directamente en la línea de visión de los agujeros negros que se fusionan. Usando la relatividad general, calculan que las ondas gravitacionales que se dispersan del objeto pueden reproducir la señal que viene directamente de la fuenteinforman esta semana en Cartas de revisión física.
La física es sutil. Las ondas no se dispersan del material del objeto, que atraviesan, sino del campo gravitatorio del objeto. Los teóricos habían calculado previamente que la dispersión de un objeto infinitesimalmente pequeño, como un agujero negro, solo debería producir una dispersión muy débil. Probablemente se deba a la naturaleza matemática específica del campo de una fuente puntual, cuya fuerza varía inversamente con el cuadrado de la distancia al punto.
En lugar de un punto, Copi y Starkman analizaron la dispersión de un objeto esférico denso más como una bola de boliche. Esperaban que también produjera un eco demasiado pequeño para ser detectado. “Lo impactante que encontramos es que no lo es”, dice Copi. La clave del efecto es que dentro de la esfera, el campo gravitatorio se modifica desde la forma de fuente puntual, explica.
Podrían ser posibles otros tipos de ecos. Algunos físicos han calculado que si la mecánica cuántica modifica la relatividad general de cierta manera, entonces el final de la señal de la fusión de dos agujeros negros debería exhibir una reverberación pulsante. Pero ese efecto requiere nueva física y produce una secuencia de ecos imperfectos. El destello gravitatorio produce un eco único y fiel de toda la señal, señala Madeline Wade, física de ondas gravitatorias del Kenyon College. “Nunca he oído hablar de una predicción como esta, donde [the echo] es una especie de copia y pegado de la señal en algún momento de retraso”.
Hay otra forma estándar de producir múltiples señales, dice Neil Cornish, astrónomo de ondas gravitacionales de la Universidad Estatal de Montana. Si un objeto denso se encuentra exactamente a lo largo de la línea de visión de una fuente de ondas gravitacionales, entonces puede actuar como una lente para producir múltiples «imágenes» del evento. Pero, dice, las posibilidades de ver un evento de lentes de este tipo deberían ser mucho menores.
Suponiendo poblaciones nominales de estrellas de neutrones, enanas blancas y otros objetos compactos, un eco de un tercio del tamaño de la señal original debería acompañar aproximadamente uno de cada 225 eventos de ondas gravitacionales, estiman Copi y Starkman. Entonces, uno o dos grandes ecos podrían estar escondidos en los 90 eventos que LIGO y Virgo ya han detectado, dice Leslie Wade, miembro de LIGO y física de ondas gravitacionales en Kenyon. Entonces, los Wades se están preparando para pescar por ellos. “La ganancia es grande, mientras que el costo de buscar estas cosas sería pequeño”, dice Leslie Wade, “Entonces, vamos a por ello”.
Cornish, también miembro de LIGO, señala que los detectores en constante mejora deberían detectar miles de eventos en la próxima década. Detectar solo uno o dos destellos serviría como una especie de «gradar» para dar a los científicos una estimación aproximada de cuántos objetos compactos, como estrellas de neutrones y enanas blancas, existen mucho más allá de nuestra galaxia, dice. “Es un poco como el ciego que toca al elefante”, dice Cornish. «No estás obteniendo una sonda súper afilada aquí, pero aún así sería información que de otro modo no tendríamos».
