jueves, 5 de mayo de 2016

¿Agujeros de gusano o ‘gravastars’ imitan las señales de ondas gravitatorias? #Ciencia Kanija 2.0 #noticias


Artículo publicado por Tushna Commissariat el 29 de abril de 2016 en physicsworld.com

A principios de este año, investigadores que trabajan con aLIGO realizaron la primera detección de ondas gravitatorias. Las ondas se piensa que se crearon en la fusión de dos agujeros negros binarios, un evento conocido como GW150914. Ahora, sin embargo, un nuevo trabajo teórico realizado por un equipo internacional de investigadores, sugiere que otro tipo de objetos estelares exóticos – tales como agujeros de gusano o "gravastars" – podrían producir una señal muy similar de ondas gravitatorias. Aunque es teóricamente posible diferenciar entre las distintas fuentes, es imposible decir si GW150914 tenía un origen más exótico que la fusión de dos agujeros negros debido a que la señal no era lo bastante fuerte como para poder resolverse.

Wormhole

Concepción artística de un agujero de gusano Crédito: Adrian Wai

Los investigadores señalan que, en el futuro, la detección de señales de ondas gravitatorias más fuertes podrían revelar más información sobre su fuente – especialmente una vez que la sensibilidad de aLIGO se ha aumentado hasta su nivel de diseño definitivo. Además, futuros detectores espaciales, tales como eLISA de la Agencia Espacial Europea, podrían revelar minúsculas discrepancias entre las señales detectadas y predichas, si es que existen.

Frecuencias resonantes

La teoría general de la relatividad de Einstein proporciona un marco teórico muy claro para el tipo de señal de onda gravitatoria que se produciría durante la colisión y posterior fusión de cuerpos compactos y masivos, tales como agujeros negros. Las ondas gravitatorias se producen constantemente antes, durante, y justo después de una fusión. Las frecuencias de las ondas variarán, diciéndonos cuándo la órbita de los agujeros negros empieza a reducirse y lentamente se acerca en espiral. Cuanta menor es la distancia inicial entre ambos, mayor es la radiación emitida cuando los agujeros negros se fusionan. Esto produce una forma de onda de "tono" característica, en la que la frecuencia y la amplitud de la onda aumentan hasta el pico de la fusión.

Pero una fusión tan cataclísmica inicialmente da origen a un agujero negro muy distorsionado, que elimina esta deformidad de forma casi instantánea, tañendo como una campana y produciendo radiación gravitatoria adicional. El sistema pierde rápidamente energía, y la fuerza de las ondas decae exponencialmente hasta formar una señal "de fondo", que fueron las captadas por aLIGO para GW150914.

Las señales de tono y de fondo son de un inmenso interés, dado que transportan información clave sobre la masa y espín, tanto de los agujeros negros iniciales, como del recién formado. "Esta fase de fondo es muy importante: del mismo modo que un violín Stradivarius vibra de una forma característica, también lo hacen los agujeros negros. De este modo, estudiando cuidadosamente cómo suena, puedes esperar conocer el propio agujero negro", dice el físico Vitor Cardoso de la Universidad de Lisboa, en Portugal.

Estos modos de vibración de un agujero negro naciente – conocidos como modos cuasinormales – deben detectarse dentro de la señal para estar totalmente seguros de que las ondas gravitatorias se han generado a partir de la fusión de agujeros negros. Nuestra actual comprensión sugiere que estos modos de vibración están inherentemente vinculados con una característica clave de los agujeros negros – su horizonte de sucesos, o la frontera más allá de la cual nada, ni si quiera la luz, puede escapar de su tirón gravitatorio.

Anillos de luz

Pero unas nuevas simulaciones y análisis – llevados a cabo por Cardoso junto a los miembros del equipo Paolo Pani y Edgardo Franzin – han demostrado que puede producirse una señal de fondo virtualmente indistinguible mediante un "imitador de agujeros negros", permitiéndonos potencialmente detectar estos objetos exóticos. Estos imitadores son objetos hipotéticos que podrían ser tan compactos como los agujeros negros, pero no tienen un horizonte de sucesos. Podrían ser gravastars – una alternativa a los agujeros negros – o agujeros de gusano – un túnel a través del espacio-tiempo que conecta dos regiones lejanas del universo.

Estos objetos exóticos poseen "anillos de luz", que son otro artefacto de la relatividad general – un fotón circular que teóricamente existe alrededor de objetos muy compactos. "Un anillo de luz es muy distinto de un horizonte de sucesos, debido a que las señales pueden escapar de las regiones dentro del anillo de luz – aunque estarían muy desplazadas al rojo – mientras que nada puede escapar del horizonte de sucesos", explica Cardoso. Todos los objetos compactos, en teoría, poseerían un anillo de luz. Es más, los agujeros negros tienen uno que está asociado con el borde de su silueta. Éstas son las conocidas como "sombras de agujeros negros" que se encuentran justo en el borde exterior del horizonte de sucesos. Por otra parte, las estrellas de neutrones, aunque son muy compactas, no son lo suficientemente compactas como para desarrollar un anillo de luz.

Cardoso y sus colegas se centraron en objetos con anillos de luz y encontraron que "si un objeto es lo bastante compacto como para tener un anillo de luz, entonces la señal de fondo sería casi idéntica a la de un agujero negro. Cuanto más compacto sea el objeto, más similar será la señal de fondo". Es más, las simulaciones del equipo demostraron que la señal de fondo está muy asociada con el anillo de luz. Es el propio anillo de luz el que vibra, no el horizonte de sucesos.

Agujeros de gusano imitadores

Las simulaciones del equipo calcularon esto explícitamente para un agujero de gusano, pero Pani dijo a physicsworld.com que "los mismos resultados son válidos para gravastars y, tal como afirmamos, para todos los imitadores ultracompactos de agujeros negros". Pero el análisis de los investigadores también demostró que estos imitadores finalmente dejan una huella en la señal de onda gravitatoria en la forma de "ecos", que son reflejos de las ondas en la superficie de estos objetos. "Estos ecos pueden necesitar mucho tiempo para alcanzar a nuestros detectores, por lo que es importante escrutar los datos incluso mucho después de que el pulso principal haya llegado", comenta Cardoso. Más precisamente, la señal imitadora se desviaría finalmente de lo predicho para un agujero negro, pero sólo en los momentos finales.

La científico de LIGO Amber Stuver, con sede en el Observatorio Livingston de LIGO en Louisiana, Estados Unidos, está "intrigada" por la posibilidad de que aLIGO pueda haber detectado un objeto exótico, pero confirma que "no hay nada en nuestras observaciones que sea inconsistente con un sistema de agujeros negros de masa estelar con un horizonte de sucesos. Hasta que no tengamos pruebas de otra cosa, no podemos afirmar que sea algo distinto a una fusión de agujeros negros binarios de masa estelar". Comenta a physicsworld.com que "detectores avanzados tales como aLIGO, aVirgo, y KAGRA tendrán que aumentar su sensibilidad" para captar tales señales. También apunta que el evento GW150914 "fue detectado con aLIGO aproximadamente al 30% de su sensibilidad. El potencial es real, si estos objetos exóticos sin horizonte están ahí fuera imitando a los agujeros negros, podemos perfectamente detectarlos en el futuro cercano".

B S Sathyaprakash de la Universidad de Cardiff, en el Reino Unido, que también es parte del equipo de LIGO, está de acuerdo con el trabajo de los teóricos, diciendo que "nuestra señal es consistente tanto con la formación de un agujero negro como con un objeto sin horizonte – no podemos decirlo". Adicionalmente explica que, aunque las ecuaciones de Einstein predicen cómo vibran los agujeros negros ligeramente deformados, nuestra comprensión es incompleta cuando la deformación es grande. "Por esta razón es por la que necesitamos una señal en la cual las oscilaciones posteriores a la fusión del objeto sean grandes, y esto puede tener lugar si detectamos objetos incluso más masivos que GW150914, o si GW150914 estuviese al menos dos o cuatro veces más cercano". Entonces, sería posible distinguir las señales, explica.

Cardoso reconoce que "los imitadores de agujeros negros son objetos muy exóticos y, por mucho, los agujeros negros siguen siendo la hipótesis más natural". Pero añade que "es importante comprender si estos objetos exóticos pueden formarse (por ejemplo, en un colapso estelar) y si son estables. Más importante es que sólo nos hemos enfocado en la parte de la señal de fondo, pero es igualmente relevante explicar toda la señal de onda gravitatoria, incluyendo las fases de acercamiento y fusión. Esto requeriría realizar simulaciones numéricas con supercomputadores para comprender si esta descripción es viable o no. Actualmente estamos trabajando en esto".

La investigación se publica en la revista Physical Review Letters.