Las ondulaciones del espacio-tiempo anuncian el nacimiento de un agujero negro

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Imagine ondulaciones que se propagan a través de un pequeño estanque a mediados del verano, extendiéndose a través del agua acristalada iluminada por el sol desde donde un niño pequeño acaba de arrojar una piedra en el estanque. Las ondas gravitacionales que se propagan a través de la estructura de Spacetime son similares a esas ondas que se propagan a través del agua del estanque calentada por el Sol, excepto que las ondas se propagan a través de Spacetime, llamadas ondas gravitacionales , que se generan cuando las masas aceleradas se propagan a medida que las ondas parten de su origen. la velocidad de la luz. Ahora imagine que el agua del estanque es el tejido del Universo mismo, a través del cual ondulan las ondas gravitacionales . Las ondas gravitacionales más poderosas de todas se propagan como resultado de eventos catastróficos, como la colisión violenta de un par de reliquias estelares llamadas estrellas de neutrones. En mayo de 2020, un equipo de astrónomos anunció que descubrieron que la espectacular y brillante carga de un dúo de estrellas de neutrones había generado ondas gravitacionales , y probablemente también había hecho otra cosa, ya que su fusión probablemente generó un agujero negro que sería El agujero negro de menor masa jamás detectado.

El nuevo estudio analizó los datos derivados del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, que se obtuvieron en los días, semanas y meses posteriores a la detección de ondas gravitacionales por el Observatorio de Ondas Gravitacionales de Interferómetro Láser (LIGO), y los rayos gamma de la misión Fermi de la NASA. , el 17 de agosto de 2020. Los detectores gemelos LIGO se encuentran en Hanford, Washington y Livingston, Louisiana. Los dos observatorios están financiados por la National Science Foundation (NSF) , y fueron inventados, construidos y operados por científicos del Instituto de Tecnología de California (Caltech) en Pasadena, California. El Telescopio Espacial de rayos gamma Fermi se lanzó el 11 de junio de 2008 a bordo de un cohete Delta II. Fermi es una misión conjunta de la NASA y el Departamento de Energía de EE. UU. Que también incluye agencias en Francia, Alemania, Italia, Japón y Suecia.

Casi todos los telescopios disponibles para los astrónomos profesionales se habían usado para observar la misteriosa fuente de las ondas gravitacionales de los tattle-tale, específicamente apodadas GW170817 . Sin embargo, los rayos X obtenidos de Chandra demostraron ser críticos para obtener una nueva comprensión de lo que realmente sucedió después de que las dos estrellas de neutrones lograron chocar entre sí en un horrible evento de inmigrantes.

Las estrellas de neutrones son los núcleos persistentes de estrellas masivas que perecieron en una brillante y multicolor exhibición de fuegos artificiales de supernova, después de haber agotado el suministro necesario de combustible de fusión nuclear . Al final, al albergar un duro corazón de hierro que no se puede usar como combustible, las estrellas pesadas deben enfrentarse a su destino explosivo. Las estrellas de neutrones son esferas extremadamente débiles, del tamaño de una ciudad. De hecho, una cucharadita llena de cosas de estrellas de neutrones puede pesar tanto como un orgullo de leones.

A partir de los datos derivados de LIGO , los astrónomos pudieron determinar una buena estimación de la masa del agujero negro neonatal resultante de la fusión de la estrella de neutrones . El equipo de científicos calculó que la masa del agujero negro sería equivalente a aproximadamente 2,7 veces la masa de nuestro Sol. Esto coloca la fuente en una «cuerda floja» difusa de identidad indeterminada. Esto se debe a que esta masa indica que puede ser la estrella de neutrones más masiva jamás descubierta o el agujero negro de masa más baja . Los poseedores de registros anteriores para el título del agujero negro más pequeño conocido no son menos de aproximadamente cuatro o cinco veces la masa solar.

Albert Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales en su Teoría de la Relatividad General (1915), y estas ondulaciones que se propagan a través de la trama de Spacetime llevan consigo, para el viaje, secretos perdidos sobre el nacimiento del Universo.

Las matemáticas de Einstein demuestran que los cuerpos masivos y acelerados, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros , a medida que se orbitan entre sí, pueden agilizar el espacio-tiempo de una manera tan dramática que las ondas resultantes del espacio distorsionado volarían lejos de su origen. Esto es comparable a la forma en que las ondulaciones en un estanque se propagan desde su lugar de origen. Las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, y la velocidad de la luz establece algo como un límite de velocidad universal. Ninguna señal conocida en el Universo puede viajar más rápido que la luz en un vacío.

«Si bien las estrellas de neutrones y los agujeros negros son misteriosos, hemos estudiado muchos de ellos a través del Universo usando telescopios como Chandra. David Pooley en un Comunicado de Prensa del Observatorio de Rayos X Chandra del 31 de mayo de 2020. El Dr. Pooley, quien dirigió el estudio, es de Trinity University en San Antonio, Texas.

En 1905, el matemático y físico teórico Henri Poincare (1854-1912) propuso por primera vez que existieran olas ravitacionales. Diez años más tarde, Einstein predijo la existencia de estas ondulaciones del espacio-tiempo sobre la base de la relatividad general. Las ondas gravitacionales llevan consigo energía en forma de radiación gravitacional , una forma de energía radiante similar a la radiación electromagnética. Sin embargo, la ley de gravitación universal de Sir Isaac Newton, parte de la mecánica clásica, no predice su existencia. Esto se debe a que esta ley se basa en la suposición de que las interacciones físicas se propagan instantáneamente (a velocidad infinita), revelando así una de las formas en que los métodos de la física clásica no pueden explicar los fenómenos asociados con la relatividad.

Como una rama de la astronomía observacional, la astronomía de ondas gravitacionales usa ondas gravitacionales para obtener información observacional que relaciona las fuentes de ondas gravitacionales detectables. Estas ondulaciones de Spacetime se originan, por ejemplo, en sistemas estelares binarios que están formados por enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros. La astronomía de ondas gravitacionales también proporciona información nueva e importante sobre las explosiones de supernovas, así como el nacimiento y evolución del Universo primordial poco después del Big Bang.

El 11 de febrero de 2020, LIGO y Virgo Scientific Collaboration hicieron el importante anuncio de que habían tenido éxito en realizar la primera observación de las ondulaciones previstas de Spacetime. La observación real se realizó el 14 de septiembre de 2020, utilizando los detectores LIGO avanzados . Estas primeras ondas gravitacionales detectadas se originaron a partir de un dúo de agujeros negros que se fusionan . Poco después del anuncio inicial, los instrumentos LIGO detectaron dos eventos de ondas gravitacionales más confirmados y uno potencial. En agosto de 2020, los dos instrumentos LIGO , junto con el instrumento Virgo , detectaron una cuarta onda gravitacional originada por la fusión de agujeros negros, así como una quinta onda gravitacional resultante de la fusión de un dúo de estrellas de neutrones que originalmente habían compuesto un sistema binario antes de su destrucción.

El Premio Nobel de Física de 2020 se otorgó al Dr. Rainer Weiss (MIT), al Dr. Kip Thorne (Caltech) y al Dr. Barry Barrish (Caltech) por su trabajo en la primera detección de estas fluctuaciones en el espacio-tiempo.

Actualmente, hay varios detectores de ondas gravitacionales más que están en construcción o en fase de planificación.

Dúos de baile

A medida que una onda gravitatoria viajante pasa a un observador lejano, el observador se quedará mirando asombrado a medida que Spacetime se ve perturbado debido a los efectos extraños de esa onda propagante. Las distancias entre los objetos libres aumentarán primero, y luego disminuirán rítmicamente, a medida que la extraña ondulación de Spacetime hace su increíble viaje. A medida que la onda gravitatoria viaja, lo hace a una frecuencia que corresponde a la de la onda en sí. La magnitud de este extraño efecto decrece inversamente con la distancia desde la fuente turbulenta de la onda de propagación. La ondulación del espacio-tiempo errante se formó como resultado de un evento violento, como la fusión de un dúo de estrellas de neutrones. Como resultado, las dos estrellas de neutrones bailan cada vez más cerca y más cerca unas de otras, participando en un extraño vals cósmico fascinante. El extraño vals termina cuando los dos bailarines chocan entre sí y, como resultado, se fusionan, haciendo su última actuación de despedida al Universo. Un agujero negro de masa estelar puede nacer como resultado de este exótico y celestial vals de un dúo condenado de estrellas de neutrones. Lamentablemente, como resultado de las grandes diferencias que existen entre los observadores de la Tierra y las fuentes de ondas gravitacionales danzantes, se predice que los efectos medidos por los astrofísicos en nuestro propio planeta serán pequeños.

A medida que las ondas gravitacionales se desplazan a través del Universo, alternativamente estiran y encogen el tejido del continuo Spacetime. Esto significa que estas ondulaciones de propagación distorsionan la geometría de la estructura del propio Espacio. Aunque los objetos en aceleración emiten ondas gravitacionales , solo los astrofísicos pueden medirlos en la Tierra cuando la masa es muy grande.

La propagación de las ondas gravitacionales proporciona a los astrónomos una nueva visión del misterioso nacimiento del Universo, permitiéndoles aprender más y más sobre el Cosmos primordial. Poco después del nacimiento inflacionario del Big Bang del Universo, fue mucho más pequeño de lo que vemos hoy, y también fue extremadamente caluroso y denso. Imagina algo del mismo tamaño que un balón de fútbol. Todo el Universo primordial fue aplastado en este espacio extremadamente pequeño, y el antiguo Cosmos del tamaño de una pelota de fútbol era un lugar turbulento y violento. Los cosmólogos científicos modernos asumen que, en esta época muy antigua, el Universo estaba dominado por una partícula denominada inflaton y su campo asociado.

Los primeros indicios tentadores de la posibilidad de descubrir estas ondulaciones de Spacetime llegaron en 1974, veinte años después de la muerte de Einstein. En ese año, dos astrónomos, el Dr. Russell Alan Hulse y el Dr. Joseph Hootin Taylor, Jr., que trabajan en el Radio Observatorio de Arecibo en Puerto Rico, descubren un púlsar binario : un par de reliquias estelares extremadamente masivas y densas de tamaño Chicago. órbita alrededor de la otra. El binario pulsar ha sido nombrado después de sus dos descubridores (el binario Hulse-Taylor). Sin embargo, también es conocido por el diseño de sonido de la guía telefónica de PSR B1913 + 16.

Los púlsares son estrellas bebés de neutrones, y las estrellas de neutrones son los núcleos reliquia de estrellas progenitoras masivas que se hicieron pedazos en explosiones de supernovas. Los nuevos púlsares recién nacidos giran salvajemente y emiten haces de luz tan regulares que se los compara con frecuencia con faros de faro en la Tierra.

PSR B1913 + 16 era exactamente el tipo de sistema estelar que, según la Relatividad General, debería enviar ondas que viajan al espacio entre las estrellas. Al darse cuenta de que este tipo de sistema de púlsar binario podría haberse utilizado para probar la predicción de Einstein, los astrónomos comenzaron a medir cómo el período de las órbitas del dúo estelar se alteraba con el tiempo. Después de casi diez años de observaciones, los investigadores determinaron que los dos púlsares se acercaban entre sí exactamente a la velocidad predicha por Einstein en la Relatividad General. Este púlsar binario se ha estudiado durante casi cincuenta años, y los cambios observados en la órbita concuerdan tan bien con la Relatividad General, que los astrónomos están seguros de que está enviando ondas de propagación a través de Spacetime.

Desde estas primeras observaciones, muchos astrofísicos han estudiado la sincronización de las emisiones de radio de púlsares y han obtenido resultados similares, lo que confirma aún más la existencia de estas ondas que ondulan a través del tejido del Universo.

No fue hasta el 14 de septiembre de 2020, que el Interferómetro de Onda Gravitacional LIGO detectó directamente las distorsiones en el Spacetime causadas por ondas gravitacionales ondulantes . Hasta ese momento, la mayor parte de la evidencia de su existencia provino de cálculos matemáticos u otras investigaciones indirectas. Las primeras ondulaciones detectadas fueron el resultado de un dúo bailado de agujeros negros que se encuentran a una gran distancia de casi 1.3 mil millones de años luz de la Tierra.

Las ondas gravitacionales pueden alcanzar nuestro planeta desde sus lejanos lugares de origen. La primera observación directa de su existencia real abre una nueva perspectiva que los astrónomos pueden usar para ocultar algunos de los muchos misterios del Universo. Las ondas gravitacionales llevan consigo información importante sobre sus lugares turbulentos de nacimiento que de otro modo no podrían obtenerse. Estas ondas del espacio-tiempo revelan regiones del Universo a las que las ondas electromagnéticas no pueden acceder. Los astrofísicos ahora pueden observar el Cosmos y sus misterios bien ocultos utilizando la gravedad como herramienta, así como la luz.

El nacimiento de un agujero negro

Si las estrellas de neutrones fusionadas que componen la fuente GW170817 hubieran creado una estrella de neutrones más masiva, Chandra lo mostraría girando rápidamente y produciendo un campo magnético extremadamente poderoso. Esto habría sido seguido por una burbuja en expansión compuesta de partículas de alta energía que produjeron un estallido brillante de emisión de rayos X. Sin embargo, esto no es lo que muestran los datos de Chandra . En su lugar, la información derivada de Chandra muestra niveles de rayos X que son un factor de unos pocos a varios cientos de veces más bajo de lo esperado para un dúo de estrellas de neutrones fusionados en un hilado salvaje y su burbuja de partículas de alta energía. Esto indica el nacimiento de un agujero negro en lugar de una estrella de neutrones más masiva .

Si se confirma este resultado, revelaría que la receta secreta para cocinar un agujero negro a veces puede ser bastante complicada. En el caso de GW170817 , habría sido necesario que dos explosiones de supernova hubieran dejado atrás dos estrellas de neutrones en una órbita suficientemente cercana para que la radiación de la onda gravitacional fusionara el dúo de estrellas de neutrones .

«Es posible que hayamos respondido una de las preguntas más básicas sobre este deslumbrante evento: ¿qué hizo? Los astrónomos han sospechado durante mucho tiempo que los ratones con estrellas de neutrones formarían un agujero negro y producirían ráfagas de radiación, pero hasta ahora no teníamos un caso sólido. «, explicó el coautor del estudio, el Dr. Pawan Kumar, en el comunicado de prensa de Chandra del 31 de mayo de 2020 . El Dr. Kumar es de la Universidad de Texas en Austin.

Una observación de Chandra de dos a tres días después de la fusión no detectó una fuente. Sin embargo, las observaciones subsiguientes 9, 15 y 16 días después del evento revelaron una detección importante. La fuente viajó detrás de nuestro Sol poco después, pero Chandra observó un brillo adicional aproximadamente 110 días después del evento. Este brillo fue seguido por una intensidad de rayos X comparable después de 160 días.

Al comparar los datos derivados de las observaciones de Chandra con los tomados por el Jansky Very Large Array (VLA) de la NSF , el Dr. Pooley y sus colaboradores explican que la emisión de rayos X se debe totalmente a las ondas de choque que resultan de la fusión del gas ambiental. No hay signos de rayos X que resulten de una estrella de neutrones recién nacida .

Las afirmaciones del Dr. Pooley y su equipo pueden comprobarse mediante observaciones de rayos X y radio. Si el remanente que queda de la carga se convierte en una estrella de neutrones con un potente campo magnético, entonces la fuente debería seguir siendo mucho más brillante en los rayos X y las longitudes de onda de la radio en aproximadamente dos años, aproximadamente, cuando la burbuja de alta Las partículas de energía finalmente se ponen al día con la onda de choque que se desaceleraría. Si es realmente un bebé agujero negro , los astrónomos esperan que continúe creciendo más y más débil. Esto se ha observado recientemente a medida que la onda de choque se debilita.

» GW170817 es el evento astronómico que sigue dando. Estamos aprendiendo mucho sobre la astrofísica de los objetos más densos conocidos de este evento», comentó el Dr. J. Craig Wheeler en el comunicado de prensa de Chandra del 31 de mayo de 2020 . El Dr. Wheeler, coautor del estudio, también pertenece a la Universidad de Texas en Austin.

Si las observaciones de seguimiento detectan a una estrella de neutrones pesada como el sobreviviente de la fusión, tal descubrimiento desafiaría las teorías sobre la estructura de las estrellas de neutrones y qué tan masivas pueden llegar a ser.

«Al comienzo de mi carrera, los astrónomos solo podían observar estrellas de neutrones y agujeros negros en nuestra propia galaxia, y ahora estamos observando estas estrellas exóticas en todo el Cosmos. Esas son muchas cosas emocionantes que la naturaleza tiene para ofrecer», dijo el coautor del estudio. Dr. Bruce Grossan en el comunicado de prensa de Chandra. El Dr. Grossan es de la Universidad de California en Berkeley.

Un artículo que describe esta investigación se publica en The Astrophysical Journal Letters.

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