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Descifrando las ondas gravitatorias de sistemas binarios de agujeros negros

La reciente concesión del Premio Nobel de física este año a científicos pioneros en la astronomía de las ondas gravitatorias no es ninguna coincidencia. De hecho, esta rama emergente puede desvelar cualquier aspecto del espacio que la ausencia de radiación electromagnética hacía invisible para la astronomía convencional hasta ahora. Los sistemas binarios compactos de agujeros negros se encuentran entre ellos y, gracias al trabajo del proyecto AWE, ahora se conocen en mayor medida.

Espacio

Aunque Albert Einstein ya había hablado de las ondas gravitatorias, ondulaciones de la gravedad provocadas por el movimiento de la materia, que inciden regularmente sobre la Tierra, estirando y encogiendo el espacio a nuestro alrededor, los científicos solo han logrado detectarlas hace poco tiempo. De hecho, la última vez que lo hicieron fue el 28 de septiembre de 2017, cuando por cuarta vez en la historia se detectaron ondas gravitatorias procedentes de agujeros negros en colisión. «Cada detección nos ha enseñado cosas nuevas y, a veces, sorprendentes sobre el universo», explica Niels Warburton, un investigador del University College de Dublín (UCD) que trabajó dos años en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en pos del progreso en este campo de investigación. Con el proyecto AWE (Accurate Waveforms for Extreme/Intermediate-mass-ratio-inspirals), Warburton pretendía preparar el entorno de la Antena Espacial con Interferómetro Láser (LISA) de la Agencia Espacial Europea, un futuro detector de ondas gravitatorias que funcionará desde el espacio. A diferencia de los detectores situados en tierra, en los cuales el ruido sísmico oculta las señales de bajas frecuencias, este detector podrá medir las ondas procedentes de sistemas con razón de masa reducida. «Una fuente de esta ondas son las llamadas inspirales de razón de masa extrema (EMRI), en las que un objeto compacto de masa de escala estelar, como una estrella muy densa o un agujero negro, orbita alrededor de un agujero negro de un millón de masas solares. Estos sistemas emiten ondas gravitatorias durante meses o años, pero la extracción de la señal dentro de un flujo de datos ruidoso requiere modelos muy precisos de las ondas recibidas. El proyecto AWE desarrolló todavía más estos modelos esenciales como parte de la preparación de la misión LISA», explica Adrian Ottewill, organizador del proyecto y profesor de física matemática en la UCD. Para hacerlo, Warburton contribuyó al desarrollo de la teoría de las perturbaciones sobre los agujeros negros y la aplicó. «Mediante la combinación de mis propios conocimientos con los de dos grupos invitados y colaboradores, he publicado siete artículos durante mi beca y hay algunos más en preparación», explica. De estas siete publicaciones, cinco han avanzado en la modelización de las ondas gravitatorias procedentes de binarias con razón de masa extrema, tal como se describió en la propuesta original del proyecto. Los otros dos proyectos no se habían planificado inicialmente pero son igualmente importantes. «Poco después de empezar en el MIT, un colega con el que me había encontrado en algunos congresos durante mi doctorado entró en mi despacho. Rápidamente nos dimos cuenta de que teníamos habilidades complementarias que nos permitirían avanzar rápidamente en el estudio de la emisión de ondas gravitatorias procedentes de la inspiral de un objeto compacto hacia un agujero negro masivo en rápida rotación», recuerda Warburton. Para cualquier agujero negro, existe una velocidad máxima de rotación que puede alcanzar. Los agujeros negros que giran a velocidades próximas a este valor presentan algunos fenómenos extraños de nueva física. Con su trabajo, Warburton y sus compañeros demostraron que las ondas gravitatorias asociadas tienen una huella muy específica, una «canción» que, si se detectase, indicaría inmediatamente la existencia de uno de estos agujeros negros rotando a una velocidad inusualmente rápida en la naturaleza. Su segundo artículo en este tema, que se tituló «Inspiral into Gargantua» en referencia a la película Interstellar de Christopher Nolan, captó la atención de medios de noticias como Space.com y Science News. Warburton confía en que la física necesaria para modelizar las inspirales de razón de masas extrema ya existe y cree que, en algún momento, su trabajo contribuirá a la futura capacidad de la comunidad para detectarlas y medirlas. Mientras tanto, pretende seguir modelizando sus ondas gravitatorias gracias a una beca de investigación de la Royal Society – Science Foundation en la Universidad de Irlanda. También lidera la creación de herramientas de software de código abierto para compartir los conocimientos dentro y fuera de la comunidad. «Esto permitirá dedicar menos tiempo de investigación a la codificación y más a pensar en la física», explica.

Palabras clave

AWE, onda gravitatoria, radiación, agujero negro, LISA, MIT, detector, EMRI, Interstellar

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