{"id":511,"date":"2021-11-23T16:00:00","date_gmt":"2021-11-23T15:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/?p=511"},"modified":"2021-11-23T16:22:23","modified_gmt":"2021-11-23T15:22:23","slug":"escuchando-el-sonido-del-cosmos-agujeros-negros-o-el-descubrimiento-de-nuevas-estrellas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/2021\/11\/23\/escuchando-el-sonido-del-cosmos-agujeros-negros-o-el-descubrimiento-de-nuevas-estrellas\/","title":{"rendered":"Escuchando el sonido del cosmos: \u00bfagujeros negros o el descubrimiento de nuevas estrellas?"},"content":{"rendered":"\n

En los \u00faltimos a\u00f1os los agujeros negros<\/a> est\u00e1n ganando cierta popularidad. As\u00ed lo indican las recientes detecciones de ondas gravitatorias, o la concesi\u00f3n de varios Premios Nobel en los \u00faltimos a\u00f1os a estos temas. Pero, \u00bfqu\u00e9 se sabe realmente sobre los agujeros negros? Es popularmente conocido aquello de que son regiones del espacio con una fuerza de atracci\u00f3n gravitatoria tan intensa que ni siquiera la luz podr\u00eda escapar de ellos. Esto implica que, en la pr\u00e1ctica, se observen como objetos invisibles u \u201coscuros\u201d (de ah\u00ed el nombre). Esta propiedad es, efectivamente, muy notable, y quiz\u00e1s por ello los agujeros negros suelan despertar inter\u00e9s incluso en gente ajena a la f\u00edsica. Sin embargo, un aspecto tan o incluso m\u00e1s importante, y considerablemente m\u00e1s desconocido, es que aunque no podamos ver a los agujeros negros, s\u00ed que podemos realmente \u201cescucharlos\u201d. \u00bfCu\u00e1l es el sonido caracter\u00edstico de los agujeros negros?<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n

Para entender qu\u00e9 significa esto y poder responder a la pregunta, es ilustrativo repasar primero ciertas situaciones que nos sean m\u00e1s familiares.\u2006Por ejemplo, sabemos que al golpear un campana, una copa, una cuerda de guitarra, se produce un estado de vibraci\u00f3n en el material en cuesti\u00f3n que es capaz de producir, a su vez, unas perturbaciones en las part\u00edculas del aire que se transmiten hasta nuestros o\u00eddos. Estas perturbaciones del aire son lo que conocemos como ondas sonoras, y son lo que identificamos como el sonido que hace la campana, la copa, o la cuerda. El sonido espec\u00edfico que nos llega depende del material que est\u00e1 vibrando. As\u00ed, si nos taparan los ojos sabr\u00edamos perfectamente distinguir, por nuestra propia experiencia, si el sonido que nos llega es de una\u2006campana o de una cuerda de guitarra.\u2006Adem\u00e1s, cada objeto puede vibrar mediante un conjunto especial de modos (llamados \u201cmodos normales de vibraci\u00f3n\u201d<\/a>) a unas frecuencias de oscilaci\u00f3n concretas que son caracter\u00edsticas del objeto en cuesti\u00f3n. El sonido que emite una campana al ser golpeada es una combinaci\u00f3n de ondas sonoras producidas por estos modos normales de vibraci\u00f3n. Estos modos caracter\u00edsticos dependen intr\u00ednsecamente del material que est\u00e1 vibrando, por lo que el espectro asociado de frecuencias caracter\u00edsticas puede utilizarse a modo de \u201cc\u00f3digo de barras\u201d para saber identificarlos un\u00edvocamente. Si cambiamos el tama\u00f1o de la campana o la cuerda, la composici\u00f3n material de estos objetos, etc, las frecuencias caracter\u00edsticas de vibraci\u00f3n asociadas pueden cambiar tambi\u00e9n. Por tanto, si nos tapamos los ojos, no s\u00f3lo sabr\u00edamos distinguir entre una cuerda de guitarra y una campana, sino entre diferentes cuerdas de guitarra o entre diferentes campanas.<\/p>\n\n\n\n

Pues bien, de forma similar a una campana ordinaria, cuando un agujero negro es \u201cperturbado\u201c respecto de su estado de equilibrio, por ejemplo cuando una part\u00edcula cae en su interior, la relatividad general<\/a> predice que este objeto comienza a “vibrar” mediante un conjunto discreto de oscilaciones arm\u00f3nicas de frecuencias caracter\u00edsticas. Se conocen como modos (quasi-)normales del agujero negro 1<\/a><\/sup>, v\u00e9ase la Fig. 1 para una ilustraci\u00f3n. Sin embargo, hay una diferencia sustancial con el an\u00e1logo musical: mientras una campana es un medio material susceptible de oscilar, el agujero negro est\u00e1 completamente vac\u00edo: es el estado final de una estrella que ha colapsado toda su materia a un punto de densidad infinita (para m\u00e1s detalles, v\u00e9ase el art\u00edculo \u201cAgujeros negros, y un nobel de f\u00edsica matem\u00e1tico\u201d<\/a>). Pero si un agujero negro es simplemente el vac\u00edo m\u00e1s absoluto, \u00bfqu\u00e9 es lo que se supone que est\u00e1 vibrando? En contra de nuestra intuici\u00f3n newtoniana, estas vibraciones caracter\u00edsticas son, sorprendentemente, oscilaciones del propio espacio-tiempo. Seg\u00fan la relatividad general, el espacio-tiempo es un ente din\u00e1mico, que reacciona y vibra cuando se le perturba, y la excitaci\u00f3n de estos modos (quasi-)normales del agujero negro es un ejemplo muy ilustrativo de ello. Este es uno de los aspectos m\u00e1s distinguidos de la teor\u00eda de la relatividad general de Einstein acerca de la gravedad: ya no es que el espacio y el tiempo est\u00e9n fusionados en el concepto de \u201cespacio-tiempo\u201d (algo que de por si puede volarnos la cabeza) sino que adem\u00e1s \u00e9ste puede evolucionar, oscilar o deformarse.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/a>
Fig. 1. Diferentes ejemplos de la excitaci\u00f3n de los modos quasi-normales de un agujero negro. Figura extra\u00edda de Berti et al, “Quasinormal modes of black holes and black branes”, Class.Quant.Grav. 26 (2009) 163001, arXiv:0905.2975<\/a>.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Las oscilaciones del espacio-tiempo se conocen como ondas gravitatorias<\/a>, perturbaciones del espacio-tiempo que se excitan por alg\u00fan suceso astrof\u00edsico (un colapso gravitatorio, una colisi\u00f3n con una estrella, etc ser\u00edan el an\u00e1logo al toque de campana) y que se propagan hacia el infinito. Estas ondas alcanzan la Tierra a su paso, y con ello alcanzan nuestros detectores, nuestros \u201co\u00eddos\u201d. Al igual que ocurr\u00eda con las campanas o cuerdas de guitarra, el espectro de frecuencias de estas ondas posee informaci\u00f3n muy valiosa sobre los par\u00e1metros del agujero negro, concretamente sobre su masa y su velocidad de rotaci\u00f3n. Diferentes agujeros negros dan lugar a diferentes frecuencias caracter\u00edsticas (diferentes sonidos que \u201coyen\u201d nuestros detectores). Por tanto, la medida de estas frecuencias en observaciones de ondas gravitatorias permite estudiar la f\u00edsica subyacente del agujero negro con gran precisi\u00f3n. En particular, una situaci\u00f3n de mucho inter\u00e9s es cuando dos agujeros negros colisionan y forman como resultado otro agujero negro. Como consecuencia de tal dram\u00e1tico proceso de formaci\u00f3n, durante los primeros instantes el agujero negro final se encuentra perturbado y permanece en un estado de vibraci\u00f3n transitorio. Dichas vibraciones u oscilaciones van atenu\u00e1ndose exponencialmente con el tiempo, al mismo tiempo que inducen una onda gravitatoria que se propaga hacia el infinito. Los interfer\u00f3metros LIGO-Virgo (v\u00e9ase figura 2) son capaces de detectar las se\u00f1ales emitidas durante este proceso, y t\u00edpicamente muestran la forma que se observa en la figura 3 2<\/a><\/sup>, conocida bajo el nombre de \u201cwaveform\u201d.<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Fig. 2. Vista cenital del interfer\u00f3metro Virgo en Pisa. Los interfer\u00f3metros de ondas gravitatorias nos han abierto una nueva ventana para observar el Universo.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
\"\"
Fig. 3. Se\u00f1al t\u00edpica registrada en los interfer\u00f3metros LIGO\/Virgo por el paso de una onda gravitatoria producida por la colisi\u00f3n de dos agujeros negros. La se\u00f1al final oscila con las frecuencias caracter\u00edsticas del agujero negro.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Esta \u00faltima etapa en la colisi\u00f3n de dos agujeros negros se conoce como el \u201cringdown\u201d (que traducido al castellano vendr\u00eda a ser algo as\u00ed como \u201cdecaimiento del sonido\u201d). El an\u00e1lisis espectral y la determinaci\u00f3n de las frecuencias caracter\u00edsticas nos permite identificar al objeto resultante de la colisi\u00f3n, as\u00ed como sus par\u00e1metros f\u00edsicos (masa y estado de rotaci\u00f3n).<\/p>\n\n\n\n

Como hemos mencionado al principio, no podemos ver los agujeros negros porque no emiten luz (son invisibles), sino que s\u00f3lo sabemos identificarlos por el \u201csonido gravitatorio\u201d qu\u00e9 emiten. Pero, \u00bfpueden otros objetos estelares producir un sonido parecido? \u00bfy si el sonido que escuch\u00e1ramos en nuestros detectores no se correspondiera realmente con lo que te\u00f3ricamente deber\u00eda ser un agujero negro? Un ejemplo muy sencillo: \u00bfy si, esperando escuchar un \u201cStradivarius\u201d en un concierto, lo que realmente escuch\u00e1ramos fuera el sonido de una copia barata de viol\u00edn? En los \u00faltimos a\u00f1os 3<\/a><\/sup>, los f\u00edsicos se han dado cuenta de que el sonido caracter\u00edstico del \u201cringdown\u201d podr\u00eda ser realmente producido por cualquier objeto estelar oscuro que fuera suficientemente \u201ccompacto\u201d, i.e. por una estrella cuyo cociente entre su masa y radio, 2M\/R, fuera extremadamente cercano a 1 (para agujeros negros es exactamente 1). En relatividad general, objetos estelares estables tan compactos s\u00f3lo podr\u00edan ser agujeros negros, pero si uno asume materia o escenarios m\u00e1s ex\u00f3ticos hay una gran variedad de objetos compactos que son capaces de \u201cimitar\u201d agujeros negros 4<\/a><\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

\u00bfPodr\u00eda ser que los eventos que han sido comunicados por los interfer\u00f3metros LIGO-Virgo no se correspondieran realmente con la detecci\u00f3n de un verdadero agujero negro? \u00bfHay alg\u00fan impostor? \u00bfC\u00f3mo podr\u00edamos distinguir unos objetos estelares de otros? Los agujeros negros son, por definici\u00f3n, objetos estelares con un horizonte. Dado que nada puede escapar de un horizonte de sucesos, esto significa que las ondas gravitatorias que \u201ccaigan\u201d al horizonte permanecer\u00e1n encerradas para siempre en el agujero negro. Sin embargo, esto no ocurre para una estrella ordinaria: al igual que las ondas sonoras son capaces de reflejarse en la superficie de una monta\u00f1a y as\u00ed formar una serie de r\u00e9plicas del sonido emitido, las ondas gravitatorias que \u201ccaigan\u201d a la estrella se reflejar\u00e1n en su superficie y producir\u00e1n una serie de \u201cecos\u201d gravitatorios de la r\u00e1faga inicial 5<\/a><\/sup>. Un ejemplo muy claro de lo que deber\u00eda detectarse puede verse en la figura 4. La detecci\u00f3n de estos ecos en las se\u00f1ales registradas por los interfer\u00f3metros constituir\u00eda definitivamente una prueba directa de la existencia de nuevas estrellas. El descubrimiento de nuevos tipos de estrella abrir\u00eda una nueva ventana de posibilidades en f\u00edsica, pues permitir\u00eda estudiar nuevos tipos de part\u00edculas, nuevas estados de la materia, etc. Y esto ser\u00eda de mucha utilidad. Por ejemplo: \u00bfpodr\u00eda estar el enigm\u00e1tico origen de la materia oscura asociada a este tipo de estrellas ex\u00f3ticas?<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Fig. 4. Se\u00f1al gravitatoria esperada por una estrella oscura muy compacta: aparte de la se\u00f1al t\u00edpica del ringdown (parte sombreada) se espera una serie de “ecos” de menor amplitud cada cierto intervalo de tiempo. <\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Pero la historia no acaba aqu\u00ed: recientes estudios 6<\/a><\/sup> han demostrado que la detecci\u00f3n de ecos podr\u00eda ayudar tambi\u00e9n a desvelar aspectos cu\u00e1nticos de agujeros negros. En gravedad cu\u00e1ntica se espera que el \u00e1rea (energ\u00eda) de un agujero negro s\u00f3lo pueda tomar un conjunto discreto de valores. El car\u00e1cter discreto del \u00e1rea implicar\u00eda, necesariamente, que un agujero negro cu\u00e1ntico no puede ser capaz de absorber realmente cualquier radiaci\u00f3n gravitatoria: si la frecuencia de la radiaci\u00f3n incidente es tal que el correspondiente crecimiento de \u00e1rea (energ\u00eda) no se corresponde con uno de los valores permitidos, siguiendo las reglas de mec\u00e1nica cu\u00e1ntica la probabilidad de absorci\u00f3n debe estar suprimida (esto es an\u00e1logo a los niveles de energ\u00eda de \u00e1tomos y su interacci\u00f3n con radiaci\u00f3n electromagn\u00e9tica). Como consecuencia, un horizonte cu\u00e1ntico deber\u00eda ser capaz de dispersar ondas gravitatorias, i.e. de producir ecos, para unas frecuencias bien definidas. Lo interesante es que para ciertos modelos de gravedad cu\u00e1ntica estas frecuencias caracter\u00edsticas resultan ser del orden del kHz, dentro de la ventana observable de los interfer\u00f3metros LIGO\/Virgo, por lo que su detecci\u00f3n (o su no detecci\u00f3n) proporciona informaci\u00f3n valiosa sobre la estructura cu\u00e1ntica del espacio-tiempo. Adem\u00e1s, el espectro de frecuencias de los ecos es diferente al de cualquier estrella ex\u00f3tica (que tendr\u00eda un espectro continuo), lo que permitir\u00eda distinguir experimentalmente entre ambos tipos de objetos.<\/p>\n\n\n\n

A d\u00eda de hoy, con la sensibilidad de los experimentos actuales y con los m\u00e9todos de an\u00e1lisis de datos disponibles, no hay evidencia de estos ecos gravitatorios, por lo que no podemos afirmar nada todav\u00eda acerca de la existencia de estrellas compactas ex\u00f3ticas. No es de extra\u00f1ar, sin embargo, pues s\u00f3lo hace 5 a\u00f1os desde la primera detecci\u00f3n de ondas gravitatorias. La astronom\u00eda de ondas gravitatorias se encuentra realmente en una fase beb\u00e9. El desarrollo y puesta en funcionamiento de interfer\u00f3metros de siguiente generaci\u00f3n planeados para las pr\u00f3ximas d\u00e9cadas (como LISA<\/a> o el Einstein Telescope<\/a>) posibilitar\u00e1 alcanzar cotas de sensibilidad muy altas. Este desarrollo, junto con avances te\u00f3ricos para el c\u00e1lculo preciso y riguroso de las \u201cwaveforms\u201d, permitir\u00e1 dar respuesta a las preguntas planteadas. Sea como sea, la idea est\u00e1 clara: si queremos descubrir nueva f\u00edsica en el futuro, tendremos que escuchar atentamente a las estrellas.<\/p>\nNotas al pie:

  1. K. D. Kokkotas and B. G. Schmidt, \u201cQuasinormal modes of stars and black holes\u201d, Living Rev. Rel. 2, 2 (1999); H.-P. Nollert, \u201cQuasinormal modes: the characteristic sound of black holes and neutron stars\u201d, Class. Quant. Grav. 16, R159 (1999).[↩<\/a>]<\/span><\/li>
  2. B. P. Abbott et al, \u201cGWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs\u201d, Phys. Rev. X 9 (2019) 031040.[↩<\/a>]<\/span><\/li>
  3. V. Cardoso, E. Franzin, and P. Pani, \u201cIs the gravitational-wave ringdown a probe of the event horizon?\u201d, Phys. Rev. Lett. 116 no. 17, (2016) 171101.[↩<\/a>]<\/span><\/li>
  4. V. Cardoso and P. Pani, \u201cTesting the nature of dark compact objects: a status report\u201d, Living Rev. Rel. 22 no. 1, (2019) 4.[↩<\/a>]<\/span><\/li>
  5. V\u00e9ase de nuevo V. Cardoso, E. Franzin, and P. Pani, \u201cIs the gravitational-wave ringdown a probe of the event horizon?\u201d, Phys. Rev. Lett. 116 no. 17, (2016) 171101.[↩<\/a>]<\/span><\/li>
  6. I. Agullo, V. Cardoso, A. del Rio, M. Maggiore, and J. Pullin, \u201cPotential Gravitational Wave Signatures of Quantum Gravity\u201d, Phys. Rev. Lett. 126 no. 4, (2021) 041302.[↩<\/a>]<\/span><\/li><\/ol>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Las ondas gravitatorias detectadas por los interfer\u00f3metros LIGO y Virgo nos han proporcionado una nueva forma de observar el Universo. \u00bfY si entre las observaciones realizadas hubiera alg\u00fan evento inesperado? Si existe alg\u00fan objeto ex\u00f3tico muy parecido a un agujero negro, \u00bfc\u00f3mo lo podr\u00edamos diferenciar?<\/p>\n","protected":false},"author":69,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[8,9],"tags":[66,11],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/511"}],"collection":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/69"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=511"}],"version-history":[{"count":19,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/511\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":549,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/511\/revisions\/549"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=511"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=511"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=511"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}