Fuentes Astrofísicas de Ondas Gravitacionales

Las fuentes astrofísicas de ondas gravitacionales pueden clasificarse en función del tipo de señal que emiten. En este sentido, existen tres tipos principales de señales: transitorias, continuas y estocásticas.

Las señales transitorias pueden ser muy breves (unos pocos milisegundos) o durar varios minutos. Son generadas por sucesos intrínsecamente cortos en el tiempo, como el estallido de ondas gravitacionales que se espera de la explosión de una supernova, así como por sucesos que duran periodos muy largos pero que Advanced Virgo sólo puede observar en su fase final, como las coalescencias binarias compactas (CBC), es decir, las fusiones de sistemas binarios de agujeros negros o estrellas de neutrones. 

Las señales de larga duración en el tiempo, con duraciones de meses o años, pueden clasificarse como continuas. Estas señales suelen ser más débiles respecto a las señales de coalescencia de binarias compactas; sin embargo, el hecho de que duren largos periodos de tiempo nos permitiría acumular la señal en largos tramos de datos, lo que aumenta las posibilidades de detección. Las señales continuas pueden ser emitidas, por ejemplo, por estrellas de neutrones giratorias no axisimétricas: la asimetría podría deberse bien a que se apartan de una esfera perfecta (y por tanto tienen algunas «montañas» en su superficie), bien a una perturbación oscilante de su estructura interna.

Las ondas gravitacionales continuas no han sido detectadas hasta ahora; sin embargo, se prevé que puedan ser detectadas por LIGO avanzado y Virgo en los próximos periodos de observación, o por uno de los futuros detectores.

Las señales quasi-periódicas también podrían ser emitidas por nubes de bosones ultraligeros, un posible componente de la materia oscura, que orbitan alrededor de agujeros negros de masa estelar.

Un tercer tipo de señal es el fondo estocástico: es el resultado de la suma incoherente de numerosas señales de ondas gravitacionales demasiado débiles para ser detectadas individualmente. El fondo estocástico puede generarse por la superposición de señales gravitacionales procedentes de una miríada de fuentes astrofísicas, cercanas o lejanas, jóvenes o viejas, demasiado débiles o demasiado distantes para ser detectadas individualmente. Su detección, que podría estar al alcance de la red Advanced LIGO y Virgo en los próximos periodos de observación, permitiría comprender mejor la historia de la formación estelar y la evolución de las fuentes astrofísicas.

También podría haber un fondo de ondas gravitacionales cosmológico, y no astrofísico: según la teoría de la Inflación, se generó justo después del Big Bang. Este fondo cosmológico podría estar al alcance de la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales.

Coalescencia de Sistemas Binarios Compactos

Un sistema binario compacto está compuesto por dos objetos compactos: ejemplos de ello son un sistema binario de dos estrellas de neutrones (BNS, por sus siglas en inglés), un sistema binario de dos agujeros negros (BBH, por sus siglas en inglés) o un sistema binario mixto de una estrella de neutrones y un agujero negro (NSBH, por sus siglas en inglés), que orbitan uno alrededor del otro; se trata de una fuente típica de ondas gravitacionales. A medida que el sistema evoluciona con el tiempo, los dos objetos compactos orbitan en espiral más rápidamente uno alrededor del otro y se acercan cada vez más hasta que acaban fusionándose, ya que el sistema pierde energía a través de la emisión de ondas gravitacionales. Este fenómeno se conoce como coalescencia. A medida que los dos cuerpos se acercan, las ondas que se generan aumentan en frecuencia y amplitud. Este tipo de señal se denomina «chirrido», en referencia al sonido chirriante que emiten los pájaros. 

Estas señales se identifican por tres fases: primero los objetos están muy separados pero girando uno alrededor del otro (espiral), luego cuando las órbitas decaen se precipitan uno hacia el otro hasta que finalmente se fusionan. Durante estas últimas fases de la decadencia orbital, las ondas gravitacionales son lo suficientemente intensas como para ser observadas en la banda de frecuencia sensible de Advanced Virgo: dependiendo de sus masas, podemos observar desde unas pocas hasta muchos cientos de órbitas de los cuerpos que se fusionan. 

La primera observación directa de ondas gravitacionales fue GW150914 (el 14 de septiembre de 2015), la coalescencia de dos agujeros negros de masas 36 y 29 veces la de nuestro Sol, fusionándose a una distancia de 1.300 millones de años luz de la Tierra.

La primera detección en la que se utilizaron datos del detector Virgo fue GW170814 (el 14 de agosto de 2017), que también fue la primera detectada por una red de tres detectores (Virgo, LIGO Hanford y LIGO Livingston). Más información aquí [enlace a La(s) primera(s) detección(es)].

Y más…

Cada vez que el ser humano ha observado el cielo con instrumentos novedosos, ha explorado nuevas gamas de longitudes de onda electromagnéticas o ha utilizado mensajeros adicionales del cosmos, se han descubierto nuevos objetos y fenómenos.

Cuando buscamos ondas gravitacionales, también esperamos sorpresas.

Por ejemplo, las cuerdas cósmicas son «defectos» en el tejido del espacio-tiempo que podrían haberse formado durante la evolución del Universo. Estas cuerdas nunca se han observado pero, si existen, se espera que emitan ondas gravitacionales. Tal vez Advanced Virgo nos permita detectar por primera vez tales fenómenos. Las cuerdas cósmicas son solo un ejemplo de fuentes de ondas gravitacionales más «exóticas». Existen muchas otras fuentes teóricas de ondas gravitacionales cuyas señales aún no se han observado (sino que sólo se han teorizado): ondas gravitacionales que se filtran desde imitadores de agujeros negros, nubes de bosones ultraligeros que se forman alrededor de agujeros negros en rotación y otras. Todas ellas representarían avances científicos asombrosos, pero probablemente las fuentes más emocionantes que podríamos detectar con ondas gravitacionales en el futuro son aquellas que aún no podemos predecir en absoluto y que nos cogerán completamente por sorpresa.