La resonancia de ondas gravitacionales es un fenómeno en el que cuerpos en órbita, como estrellas de neutrones o agujeros negros, interactúan entre sí de manera que amplifican la emisión de ondas gravitacionales. Esto ocurre cuando la frecuencia orbital del sistema coincide con una frecuencia resonante natural de los propios cuerpos, haciendo que se deformen y oscilen con mayor intensidad. El efecto puede aumentar significativamente la energía perdida por radiación gravitacional, acelerando la espiral de acercamiento del sistema binario y produciendo señales más fuertes de lo que se esperaría de un modelo de masas puntuales.
Historia
El concepto de resonancia de marea en sistemas binarios fue explorado en las décadas de 1970 y 1980, con contribuciones clave de teóricos como Peter Goldreich y Scott Tremaine en el contexto de las lunas planetarias, y posteriormente aplicado a binarias de estrellas de neutrones por investigadores como Lars Bildsten y Curt Cutler en los años 1990.
Cómo funciona
En un sistema binario, cada cuerpo tiene sus propios modos de oscilación naturales, similares a cómo una campana suena a frecuencias específicas. Mientras los dos cuerpos orbitan entre sí, su atracción gravitatoria provoca deformaciones de marea. Cuando la frecuencia orbital barre una de estas frecuencias naturales, la deformación se amplifica: el cuerpo 'resuena' como una campana golpeada. Esta oscilación resonante extrae energía orbital adicional, que se irradia en forma de ondas gravitacionales. El efecto es más fuerte en los momentos finales antes de la fusión, cuando la frecuencia orbital aumenta rápidamente a través de un rango de frecuencias resonantes.
En la práctica
Los efectos de resonancia son cruciales para modelar con precisión las señales de ondas gravitacionales de binarias de estrellas de neutrones, ayudando a detectores como LIGO y Virgo a extraer información precisa sobre la estructura interna de las estrellas y su ecuación de estado.
Dato curioso
La resonancia puede ser tan intensa que hace que la estrella de neutrones se deforme en una forma prolata (similar a un cigarro), aumentando drásticamente la amplitud de las ondas gravitacionales justo antes de la fusión.
El universo temprano experimentó una rápida expansión: la inflación. Según una de las teorías, la fuerza motriz de este proceso (el inflatón) se comportaba como un axión, una partícula que interactúa con el campo de gauge a través de un acoplamiento especial (análogo al efecto Chern-Simons).
En los primeros instantes después del Big Bang, el universo resonaba como una campana. La inflación — la era de expansión acelerada, confirmada por las mediciones del fondo cósmico de microondas — había terminado, y el campo del inflación comenzó a oscilar alrededor del mínimo de su potencial.
Dos esferas ultradensas, cada una del tamaño de una ciudad, giran en una danza. Su masa es menor que la solar, pero en su interior hay materia comprimida hasta límites inimaginables. Una esfera es una estrella de neutrones; la otra, una estrella extraña, compuesta enteramente de quarks (las partículas elementales que forman protones y neutrones).
Un agujero negro con campo magnético se asemeja a un remolino en un río donde el agua no se precipita hacia el embudo, sino que gira en el sitio. Normalmente, la rotación del agujero captura las ondas y las amplifica, lo que se conoce como superradiancia. Pero si se añade un campo magnético, todo cambia.
Las ondas en un estanque se expanden en círculos desde la piedra que se lanza. Ahora imagina que el propio estanque comienza a temblar ligeramente: el agua no solo se agita por la piedra, sino también por sí misma. Algo similar ocurre con las ondas gravitacionales en un espacio donde pulsa un campo escalar especial.
Cuando dos estrellas superdensas giran en un baile íntimo, el espacio a su alrededor tiembla. Ese temblor —las ondas gravitacionales— es captado por gigantescos detectores en la Tierra. Pero descifrar la señal no es fácil: hay que entender con qué nos enfrentamos, si con un par de agujeros negros o de estrellas de neutrones.
El Sol no es solo una fuente de luz, sino un laboratorio gigante donde nacen partículas fantasma. Cada segundo, miles de millones de neutrinos atraviesan tu cuerpo sin apenas notarlo. Pero dentro del Sol, estas partículas se comportan de otra manera: cambian de tipo sobre la marcha, como un actor que interpreta tres papeles en una misma obra.
Una estrella muerta con un campo magnético miles de millones de veces más intenso que el terrestre es un magnetar. Su corteza se agrieta y emite una potente ráfaga de rayos X hacia el espacio. Pero parte de esa luz no llega hasta nosotros en su forma habitual.
Los fuelles de herrero avivan el fuego expulsando aire bruscamente. En el espacio, ese papel lo desempeña la onda de choque de una supernova — concepto introducido por Fritz Zwicky: alcanza la gigantesca burbuja de partículas cargadas y campos magnéticos formada alrededor de una estrella…
Las ondas gravitacionales no son vibraciones de la materia, sino un temblor del propio espacio-tiempo, predicho por Albert Einstein. Se propagan a la velocidad de la luz y atraviesan los cuerpos, estirándolos y comprimiéndolos.
Un patinador sobre hielo pega los brazos al cuerpo y su giro se acelera de repente. Cuando una estrella masiva agota su combustible y su núcleo colapsa, ocurre algo parecido, pero a escala cósmica.
En los primeros instantes tras el Big Bang, el universo era un caldero hirviendo. Pero luego, según una nueva hipótesis, se enfrió bruscamente durante un breve periodo, mucho más de lo que se pensaba. En este mundo helado, las partículas de materia oscura, similares a diminutos péndulos, se quedaron quietas y no comenzaron a oscilar.
En 2017, los detectores captaron un estremecimiento del espacio: las ondas gravitacionales de la fusión de dos estrellas de neutrones. En ese mismo instante, los telescopios vieron un destello. Así, por primera vez, un mismo evento habló en dos idiomas a la vez: el de la luz y el de la gravedad.
Una piedra cae en un estanque y las ondas se expanden en círculos. Si la piedra no cae, sino que pasa rozando la superficie a gran velocidad, de su movimiento surge una onda recta que corre por el agua. Cuando esa onda choca con un tronco flotante, desde el punto de impacto vuelven a salir círculos.
Un patinador gira sobre el hielo acercándose poco a poco al centro. Su trayectoria no es una espiral perfecta: a veces entra en el ritmo de la música y da una vuelta extra, cambiando ligeramente la velocidad. Algo parecido hace un agujero negro pequeño cuando cae hacia uno supermasivo.
Un diapasón, al comenzar a sonar, hace vibrar las cuerdas vecinas. De manera similar se comporta una nube de partículas ultraligeras (también llamadas axiones) alrededor de un agujero negro en rápida rotación.
En el centro de la Vía Láctea gira una barra de estrellas, un cúmulo alargado parecido a una pala giratoria. Su gravedad genera a su alrededor un campo rítmico, como las olas que deja un bote.
En 2019, los detectores de ondas gravitacionales captaron una señal de la fusión de objetos lejanos. Uno de ellos era un agujero negro de 23 masas solares. El segundo pesaba solo 2,5 masas solares, y eso es extraño.
Normalmente, las estrellas de neutrones no superan las dos masas solares: con más masa se comprimen hasta convertirse en agujero negro.
Los materiales magnéticos pueden almacenar energía de oscilación, como un diapasón que sigue sonando después del golpe. Si se coloca un material así en una cavidad de microondas, sus oscilaciones (magnones) comienzan a interactuar con la luz (fotones).
Las ondas gravitacionales son ondulaciones del espacio-tiempo que estiran y comprimen todo a su paso de manera imperceptible. Pero la Luna, como una campana, capta estas ondas: al atravesarla, la onda gravitacional hace vibrar al satélite.
Dos gigantes negros giran y chocan: un temblor del espacio se propaga por el universo. Ese temblor lo captan los detectores de ondas gravitacionales. Pero en la señal puede esconderse algo más que la masa y la distancia: si las leyes de la física son ligeramente distintas en diferentes direcciones, la onda se distorsionará.
La Luna no es simplemente una bola de roca, sino una campana gigante. Al atravesarla, las ondas gravitacionales la hacen vibrar casi imperceptiblemente. Este temblor fue predicho por Einstein, y Weber fue el primero en intentar escucharlo con detectores terrestres.
Una cuerda de guitarra, al ser pulsada, no solo produce la nota fundamental, sino también silenciosos sobretonos. Un fenómeno similar se manifestó en las ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros (evento GW250114).
La colisión de dos estrellas de neutrones es un impacto que se escucha en todo el universo. Los detectores de ondas gravitacionales captan las ondulaciones del espacio-tiempo, pero el sonido más interesante comienza después del impacto: el remanente de la fusión, una estrella de neutrones hipermasiva que gira vertiginosamente, sigue vibrando y…
