ondas gravitacionales de binarias excéntricas

El cielo nocturno está lleno de anillos y burbujas, pero en radio se ven de otra manera. En los datos del radiotelescopio australiano ASKAP ha emergido una estructura parecida a dos burbujas de jabón sopladas con una misma pajita.

Un faro que no parpadea cada segundo, sino cada pocos minutos o incluso horas. Así se comportan los radiotransitorios de período largo, fuentes cósmicas descubiertas recientemente. Sus señales son demasiado lentas para los púlsares típicos (estrellas de neutrones que giran rápidamente), pero demasiado potentes para atribuirlas a interferencias aleatorias.

En algún lugar de las profundidades del cosmos, dos agujeros negros supermasivos giran uno alrededor del otro. Su danza no es suave: la órbita está estirada, como una goma elástica que se tensa y se comprime. Cada vuelta genera ondas en el tejido del espacio-tiempo: ondas gravitacionales.

En mayo de 2020, los detectores LIGO y Virgo registraron la onda gravitacional GW200105. Entre muchas ondas gravitacionales similares, esta se destacó por una rareza: la órbita de la estrella de neutrones y el agujero negro que chocaron no era un círculo perfecto, sino una elipse alargada.

El Universo reescribe su historia una y otra vez. Allí donde la astronomía convencional solo ve un punto —un agujero negro—, las ondas gravitacionales retiran finas capas del pasado, como de un antiguo palimpsesto.

Aislar la señal de un par de agujeros negros supermasivos es como distinguir los pasos de un bailarín en el estruendo de un huracán. En algún lugar del cosmos, estos monstruos giran en un lento tango gravitacional, deformando el propio espacio-tiempo.

Como un carrusel: es más fácil hacer girar uno ligero que uno pesado. Algo similar ocurre con las estrellas de neutrones, los restos superdensos de estrellas que han explotado. Los astrónomos examinaron unas cincuenta sistemas binarias donde una estrella de neutrones orbita alrededor de otra y notaron que cuanto más masiva es la estrella, más largo es su período de rotación.

Una patinadora gira sobre el hielo, alejándose gradualmente de su órbita. Del mismo modo, una estrella pequeña o un agujero negro, al orbitar un agujero negro masivo, pierde energía. Emite ondas gravitacionales: ondas en el espacio-tiempo que los detectores en la Tierra captan. Pero la danza de esta pareja es más compleja de lo que parece.

Una cavidad de microondas ordinaria se parece a una caja de música: solo responde a frecuencias estrictamente definidas, sus propias notas. Pero, ¿y si pudiéramos hacer que sonara de otra manera? Los científicos cambiaron las reglas del juego haciendo que las paredes fueran "unidireccionales". Dentro de una cavidad así, la onda solo puede avanzar, sin reflejarse hacia atrás.

Un par de estrellas de neutrones, entrelazadas por un cerrojo gravitacional, traza círculos invisibles en el vacío. Hace cien años, Albert Einstein describió esta danza como ondas de geometría curvada, pero durante mucho tiempo solo pudimos seguirla con el rabillo del ojo, a través del parpadeo febril de los pulsos de radio.

En el centro de una galaxia, un agujero negro enorme está envuelto en una nube invisible: un enjambre de partículas ultraligeras que él mismo generó. En esa nube se sumerge otro agujero negro, del tamaño de una estrella, y comienza un largo baile en espiral. El acercamiento dura millones de años, pero los eventos más dramáticos ocurren justo en el horizonte.

Las olas seleccionan los guijarros en una playa de arena. Los guijarros pequeños están apretados unos contra otros, casi iguales en tamaño. Un poco más lejos de la orilla, hay una dispersión de piedras más grandes y variadas. Y justo donde el oleaje es más fuerte, se acumulan los fragmentos más grandes y redondeados.

Dos piedras caen en un estanque. De cada una se expanden círculos, pero en cuanto chocan, se produce un chapoteo y un golpe seco y resonante. Algo así suena la fusión de dos estrellas de neutrones, los restos superdensos de estrellas que han explotado.

En 2022, los astrónomos comenzaron a descubrir extraños faros cósmicos: los radiotransitorios de período largo. A diferencia de los rápidos púlsares, descubiertos por Jocelyn Bell Burnell en 1967, estos objetos parpadeaban con periodicidades de decenas de minutos e incluso horas.

Dos patinadores artísticos giran sobre el hielo. Uno es ligero y cauteloso, apenas rota. El otro es masivo y veloz, gira con todas sus fuerzas y además en direcciones distintas. Más o menos así es el panorama que han dibujado las ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros.

Una peonza gira a gran velocidad y, en lugar de un zumbido uniforme, emite un suave runrún porque está ligeramente abollada. Así funcionan más o menos las estrellas de neutrones: esferas del tamaño de una ciudad, comprimidas hasta tal densidad que una cucharadita de su materia pesa como una montaña.

Cuando una estrella de neutrones y un agujero negro se fusionan, emiten ondas gravitacionales — ondulaciones del espacio-tiempo que llegan a la Tierra. Estas ondulaciones llevan la huella de su última danza: la órbita antes de la colisión suele ser alargada, como una elipse.

Imagina una orquesta afinándose: los violines ascienden, es el familiar «chirrido» de las fusiones de agujeros negros en los detectores LIGO. Ahora imagina una marcha fúnebre: un sonido que desciende, como una sirena que se apaga. Exactamente ese es el sello de ondas gravitacionales que debería dejar un sistema donde una de las masas es negativa.

Una orquesta de millones de instrumentos toca una sola nota, pero cada uno entra en su momento y con su propio volumen. Así suena el fondo estocástico de ondas gravitacionales: un zumbido de fusiones de agujeros negros que individualmente son indistinguibles.

Dos bolas pesadas giran en la superficie de un estanque. De ellas se expanden círculos: son ondas gravitacionales. Cuando las bolas se acercan, las ondas se llevan energía y los círculos se vuelven más frecuentes.

Un columpio se balancea cada vez más fuerte si lo empujas al ritmo adecuado. Un mecanismo similar se activa cuando una estrella muerta orbita un agujero negro masivo envuelto en una nube de partículas ultraligeras. Estas partículas son candidatas a materia oscura (la sustancia invisible que mantiene a las galaxias unidas).

Cuando los agujeros negros se acercan y se separan — sin fusionarse, solo rozándose con sus campos gravitacionales — se convierten en proyectiles ideales para poner a prueba las leyes de la gravedad. En campos extremos, donde la dilatación del tiempo alcanza magnitudes monstruosas, cualquier grieta en la teoría brillará con un destello cegador.

Una pareja de patinadores gira tomados de la mano. Si la trayectoria es un círculo perfecto, cada empujón del compañero es predecible. Pero si se alarga hasta convertirla en un óvalo, los esfuerzos se vuelven desiguales: al acercarse, un tirón; al alejarse, una pausa. Más o menos así se comportan dos agujeros negros en los últimos minutos antes de fusionarse.

Dos agujeros negros se enredan el uno alrededor del otro no en un suave círculo, sino como dos piedras lanzadas desde orillas opuestas a un profundo remolino. Su órbita se asemeja a un óvalo muy achatado: la excentricidad es casi uno. Cuando por fin chocan, nace una potente ráfaga de ondas gravitacionales: el temblor del propio espacio.

Una estrella de materia oscura es un océano invisible de partículas ultraligeras, cuya existencia sospechó Fritz Zwicky ya en los años 1930. En este océano se sumerge una estrella de neutrones — una bolita diminuta pero increíblemente pesada. La fricción con la materia oscura, como con el agua, acelera su caída hacia el centro.

Antes se pensaba que solo las galaxias de forma elíptica podían producir enormes chorros de radioemisión —eyecciones de radio provenientes de agujeros negros supermasivos centrales. Un nuevo estudio demostró lo contrario: entre las galaxias espirales también se encontraron potentes fuentes de radio.

Imagina el murmullo de una plaza abarrotada: así suena el fondo de ondas gravitacionales del universo, captado por una red de púlsares —estrellas de neutrones que emiten pulsos de radio regulares con la precisión de relojes atómicos.

Los eclipses en estrellas dobles son como un reloj: la enana blanca (un denso remanente estelar) pasa regularmente frente a su compañera y la luz se apaga por un breve instante. Pero en la mayoría de estos pares, el reloj se adelanta o se atrasa unos segundos a lo largo de los años.

El sistema binario SS433 es conocido porque el agujero negro que contiene desgarra materia de su estrella vecina. Parte del gas cae en el agujero, y otra parte es expulsada en dos chorros estrechos que giran como una peonza. Estos chorros se observan en radio y en rayos X.

La tapa que chasquea de un tarro de mermelada es la heroína de esta historia. La presionas y, con un chasquido sonoro, salta de la posición convexa a la cóncava. Exactamente así se comporta la viga articulada dentro de cada celda de la nueva rejilla mecánica. Los científicos han montado con estas vigas que chasquean una malla hexagonal, como un panal, pero de placas elásticas.

Los pares de estrellas de gran separación se parecen a dos bailarines que se toman de la mano pero están en extremos opuestos de la sala. Su vínculo es débil, y cualquier transeúnte puede separarlos. Los astrónomos encontraron 26 de estos pares y comprobaron cuán firmemente se mantienen unidos.

Un agujero negro en rotación es un remolino cósmico que atrapa todo lo que lo rodea. Algunos de estos agujeros tienen hilos invisibles que se extienden desde el horizonte de sucesos, como los radios de una rueda. Los científicos han debatido durante mucho tiempo qué son estos hilos y si se pueden ver.

A unos 25 000 años luz de la Tierra, en la constelación de Sagitario, una densa cortina envuelve a la estrella de neutrones GX 13+1. Dispersa los fotones de rayos X como la niebla dispersa la luz de una farola, y durante mucho tiempo ha ocultado a los astrónomos la verdadera potencia de la fuente.

Dos agujeros negros giran en una danza estrecha, y a su alrededor nace algo asombroso: una molécula gravitacional. Una nube de bosones ultraligeros, partículas con masa menor que un electronvoltio, envuelve al par como la nube electrónica en el ion H2+.