Simulaciones predicen una nueva fuente detectable de ondas gravitacionales procedentes del colapso de estrellas
Las ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por la muerte de estrellas giratorias masivas podrían estar dentro de los límites de detección de proyectos como LIGO, según sugieren nuevas simulaciones realizadas por astrofísicos.
Por Mara Johnson-Groh
Después de la muerte de una estrella masiva y giratoria, se forma un disco de material alrededor del agujero negro central. A medida que el material se enfría y cae en el agujero negro, una nueva investigación sugiere que se crean ondas gravitacionales detectables. Imagen generada con DALL-E
La muerte de una estrella masiva que gira a gran velocidad puede sacudir el universo. Y las ondas resultantes, conocidas como ondas gravitacionales, podrían ser percibidas por los instrumentos de la Tierra, según un nuevo estudio publicado en The Astrophysical Journal Letters. Estas nuevas fuentes de ondas gravitacionales están a la espera de ser descubiertas, según predicen los científicos responsables de la investigación.
Las ondas gravitacionales surgen tras la muerte violenta de estrellas que giran rápidamente y tienen entre quince y veinte veces la masa del Sol. Al quedarse sin combustible, estas estrellas implosionan y luego explotan, en un fenómeno conocido como colapso gravitatorio. Esto deja tras de sí un agujero negro rodeado por un gran disco de material sobrante que rápidamente se arremolina en las fauces del agujero negro. La espiral de material, que dura solo unos minutos, es tan grande que distorsiona el espacio a su alrededor, lo que crea ondas gravitatorias que viajan por el cosmos.
Mediante simulaciones de última generación, los científicos determinaron que estas ondas gravitacionales podrían detectarse con instrumentos como el Observatorio de ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO), que realizó las primeras observaciones directas de ondas gravitacionales procedentes de agujeros negros en fusión en 2015. Si se detectan, las ondas impulsadas por colapsares —estrellas que ha sufrido un colapso gravitacional— ayudarían a los científicos a comprender el misterioso funcionamiento interno de los colapsares y los agujeros negros.
«En la actualidad, las únicas fuentes de ondas gravitacionales que hemos detectado proceden de la fusión de dos objetos compactos: estrellas de neutrones o agujeros negros —explica Ore Gottlieb, investigadora del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Flatiron Institute de Nueva York. Y añade—: Una de las preguntas más interesantes en este campo es la siguiente: ¿cuáles son las fuentes potenciales no colapsadas que podrían producir ondas gravitacionales y que podamos detectar con las instalaciones actuales? Una respuesta prometedora son ahora los colapsares».
Los colapsares podrían ser una fuente de ondas gravitacionales. Ilustración: NASA/SkyWorks Digital
Gottlieb, junto con Yuri Levin, profesor del Centro de Astrofísica Computacional y Amir Levin, profesor de la Universidad de Tel Aviv (Israel), simularon las condiciones, incluidos los campos magnéticos y las tasas de enfriamiento, que se encuentran después del colapso de una estrella masiva en rotación.
Las simulaciones mostraron que los colapsos pueden producir ondas gravitacionales lo suficientemente potentes como para ser visibles desde unos 50 millones de años luz de distancia. Esa distancia es menos de una décima parte del rango detectable de las ondas gravitacionales más poderosas de las fusiones de agujeros negros o estrellas de neutrones, aunque sigue siendo más fuerte que cualquier evento simulado que no sea una fusión.
Como una orquesta
Según Gottlieb, los nuevos hallazgos son una sorpresa. Los científicos pensaban que el colapso caótico crearía un revoltijo de ondas difícil de distinguir entre el ruido de fondo del universo. Piensa en una orquesta calentando motores. Cuando cada músico toca sus propias notas, puede ser difícil distinguir la melodía procedente de una sola flauta o tuba.
En cambio, las ondas gravitacionales procedentes de la fusión de dos objetos crean señales claras y fuertes, como las de una orquesta tocando junta. Esto se debe a que, cuando dos objetos compactos están a punto de fusionarse, bailan en una órbita cerrada que crea ondas gravitatorias con cada giro. Este ritmo de ondas casi idénticas amplifica la señal hasta un nivel que puede detectarse.
Las nuevas simulaciones demostraron que los discos giratorios alrededor de los colapsares también pueden emitir ondas gravitatorias que se amplifican juntas, de forma muy parecida a los objetos compactos que orbitan en las fusiones.
«Pensé que la señal sería mucho más desordenada, porque el disco es una distribución continua de gas con material girando en diferentes órbitas —explica Gottlieb. Y añade—: Descubrimos que las ondas gravitacionales de estos discos se emiten de manera coherente y también son bastante fuertes».
Simular un millón de colapsares
No solo la señal predicha de los discos colapsados es lo suficientemente fuerte como para ser detectada por el observatorio de detección de ondas gravitatorias LIGO, sino que los cálculos de Gottlieb sugieren que algunos eventos podrían estar ya en los conjuntos de datos existentes. Los detectores de ondas gravitacionales propuestos, como el Cosmic Explorer y el Telescopio Einstein, podrían detectar docenas al año.
La comunidad experta en ondas gravitacionales ya está interesada en buscar estos sucesos, pero no es una tarea fácil. El nuevo trabajo ha calculado las señales de ondas gravitacionales de un número modesto de posibles colapsares. Sin embargo, las estrellas abarcan una amplia gama de masas y perfiles de rotación, lo que crearía diferencias en las señales de ondas gravitacionales calculadas.
«En principio, lo ideal sería simular un millón de colapsares para poder crear una plantilla genérica, pero, por desgracia, se trata de simulaciones muy costosas —afirma Gottlieb. Y continúa—: Así que, por ahora, tenemos que optar por otras estrategias».
Supernovas o explosiones de rayos gamma emitidas durante el colapso de la estrella
Los científicos pueden zambullirse en los datos históricos para ver si algún suceso es similar al simulado por Gottlieb. Sin embargo, dada la variedad de estrellas, cada una con una señal potencialmente única, es poco probable encontrar una coincidencia con una de las señales simuladas.
Otra estrategia consiste en utilizar otras señales procedentes de colapsares cercanos, como supernovas o explosiones de rayos gamma emitidas durante el colapso de la estrella, y buscar en los archivos de datos si se detectaron ondas gravitacionales en esa zona del cielo en la misma época.
La detección de las ondas gravitacionales generadas por el colapso ayudaría a los científicos a comprender mejor la estructura interna de la estrella en el momento del colapso y también les permitiría aprender sobre las propiedades de los agujeros negros, dos temas que siguen siendo poco conocidos.
«Son cosas que de otro modo no podríamos detectar —afirma Gottlieb. Y concluye—: La única forma que tenemos de estudiar estas regiones estelares interiores alrededor del agujero negro es a través de las ondas gravitacionales». ▪️
Información facilitada por la Fundación Simons -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Ore Gottlieb, Amir Levinson and Yuri Levin. In LIGO's Sight? Vigorous Coherent Gravitational Waves from Cooled Collapsar Disks. The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad697c
