La excentricidad orbital en sistemas binarios — la desviación de una órbita respecto a un círculo perfecto — desempeña un papel crucial en la astronomía de ondas gravitacionales. Mientras que la mayoría de las fusiones detectadas involucran órbitas casi circulares, los binarios excéntricos emiten ondas gravitacionales con un 'chirrido' característico que contiene armónicos adicionales, codificando información sobre la historia de formación del sistema. Se esperan órbitas excéntricas en entornos estelares densos como los cúmulos globulares, donde las interacciones dinámicas pueden impulsar a los binarios hacia trayectorias altamente elípticas.
Historia
El marco teórico para las ondas gravitacionales de binarios excéntricos fue desarrollado en la década de 1970 por Peter Peters y otros, pero la primera detección directa de una fusión de binario excéntrico aún no ha sido confirmada, con búsquedas en curso en los datos de LIGO/Virgo.
Cómo funciona
En una órbita excéntrica, los dos objetos se mueven más rápido en el periastro (máximo acercamiento) y más lento en el apoastro, lo que hace que la emisión de ondas gravitacionales sea similar a ráfagas y rica en armónicos superiores. La excentricidad de la señal de ondas gravitacionales evoluciona con el tiempo a medida que la órbita se circulariza debido a la pérdida de energía, permitiendo a los astrónomos medir la excentricidad inicial e inferir el canal de formación del binario. Esto requiere modelos de forma de onda avanzados que van más allá de la aproximación estándar de órbita circular.
En la práctica
Medir la excentricidad ayuda a distinguir entre diferentes vías de formación para agujeros negros y estrellas de neutrones en fusión, como la evolución de binarios aislados frente a la captura dinámica en cúmulos densos.
Dato curioso
Un binario excéntrico emite ondas gravitacionales a múltiples frecuencias simultáneamente, creando una 'orquesta de ondas gravitacionales' que puede utilizarse para medir la excentricidad del sistema con alta precisión.
Un intérprete simultáneo en una sala donde hablan dos personas: debe seguir tanto el sentido como la entonación, pero si hablan demasiado rápido, solo queda un resumen. Algo así se sienten los científicos cuando el flujo de ondas gravitacionales de fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones crece, y los cálculos precisos de las señales no dan abasto.
Una estrella de neutrones es el remanente de una estrella que explotó, comprimido tan fuertemente que una cucharadita de su materia pesaría como una montaña. Dentro de ese objeto, los protones y neutrones están empaquetados muy juntos, y bajo una presión enorme pueden aparecer hiperones —partículas que contienen un quark extraño.
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.
Cada 165 días, el planeta gigante se sumerge hacia su estrella, casi rozando su corona de fuego, y luego vuela hacia el vacío helado. Este es TIC 241249530 b — un exoplaneta con una excentricidad récord de 0,94.
Los detectores de ondas gravitacionales registraron una señal extraña: GW241011. Dos agujeros negros se fusionaron, pero la pareja parecía inusual: uno de ellos era aproximadamente tres veces más ligero que el otro y, además, el sistema en su conjunto rotaba rápidamente. Esa combinación es un visitante poco frecuente en los catálogos.
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.
Dos agujeros negros que se acercan antes del impacto recuerdan a patinadores en un giro en pareja: cada uno gira sobre su propio eje y juntos tejen una danza común. Ese sacacorchos compartido, el llamado espín efectivo, los astrónomos pueden medirlo gracias a las ondas gravitacionales que se expanden desde la pareja como círculos en el agua.
En el núcleo denso de un cúmulo estelar, tres agujeros negros se encuentran en una danza peligrosa. El movimiento es caótico: las trayectorias se enredan como madejas de hilo. Luego uno de los agujeros sale disparado, mientras los otros dos quedan en una órbita alargada.
Los detectores captan el «rizado» de las ondas gravitacionales producido por la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones, como un eco de la cocina donde se preparó el plato cósmico. Los astrónomos intentan reconstruir la receta: cómo dos estrellas masivas se convirtieron en una pareja exótica y colisionaron.
Dos bolas pesadas giran no en un círculo perfecto, sino en un óvalo muy achatado: a veces se acercan, a veces se alejan. Así se comportan aproximadamente los pares de agujeros negros con órbitas alargadas.
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.
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.
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.
Una estrella de neutrones es el núcleo que fue de una estrella masiva, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. En su centro, la materia está tan densamente apretada que los átomos dejan de existir, y los protones y neutrones se disuelven en un mar de quarks.
Un patinador gira sobre el hielo con los brazos extendidos. Si su trayectoria es casi un círculo perfecto, describir el movimiento no es complicado. Pero cuando se desplaza en un óvalo muy achatado, casi se detiene en el extremo más lejano y pasa a gran velocidad por el más cercano. Algo parecido hacen dos estrellas en una órbita muy excéntrica.
La última cosecha de ondas gravitacionales ha traído un enigma. Los detectores LIGO, Virgo y KAGRA han captado decenas de señales de agujeros negros en fusión, y en la gráfica de sus masas se abre un hueco: apenas hay objetos más pesados que 45 soles, y los que existen giran sospechosamente rápido.
Algunas gigantes rojas —enormes estrellas viejas— cambian su brillo muy lentamente: un ciclo puede durar más de un año. Los astrónomos no podían entender por qué. Una idea: cerca orbita un compañero invisible que periódicamente tapa parte de la luz. Otra: la estrella misma pulsa, como un corazón, pero muy pausado — sus capas externas se contraen y se expanden.
Dos estrellas giran alrededor de un centro común, absorbiendo gas de la nube circundante. Alrededor de cada estrella y alrededor de todo el par se forman discos de gas en rotación. De estos discos, como de mangueras, brotan chorros. Dentro de los discos, el gas se mezcla constantemente: así funciona la inestabilidad magnetorrotacional.
El telescopio 'Kepler' observó durante años miles de estrellas y detectó planetas por las diminutas caídas en su luz cuando el planeta pasa frente a su estrella. Ese paso, o tránsito, permite medir el tamaño del planeta, pero no la forma de su trayectoria.
Una estrella como el Sol no solo brilla: también zumba suavemente. En su interior, el plasma burbujea, y estos movimientos hacen que la superficie suba y baje rítmicamente. Captar ese temblor desde la Tierra es casi imposible: se ahoga en el ruido de la atmósfera y del propio instrumento.
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.
Cada fusión de agujeros negros genera ondas gravitacionales —ondulaciones en el tejido del universo—, predichas por Einstein y detectadas por primera vez gracias a la contribución clave de Kip Thorne.
Dos estrellas, acercándose en una danza cósmica, experimentan un balanceo adicional, consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo (efecto predicho por Einstein). El planeta que las orbita también se balancea.