En febrero de 2016, los científicos que trabajan para el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) realizaron la primera detección de ondas gravitacionales. Desde entonces, se han producido múltiples detecciones, gracias en gran parte a las mejoras en los instrumentos y a los mayores niveles de colaboración entre los observatorios. Mirando hacia el futuro, es posible que las misiones no diseñadas para este propósito también puedan "luz de luna" como detectores de ondas gravitacionales.
Por ejemplo, la nave espacial Gaia, que está ocupada creando el mapa 3D más detallado de la Vía Láctea, también podría ser instrumental cuando se trata de la investigación de ondas gravitacionales. Eso es lo que reclamó recientemente un equipo de astrónomos de la Universidad de Cambridge. Según su estudio, el satélite Gaia tiene la sensibilidad necesaria para estudiar ondas gravitacionales de frecuencia ultrabaja producidas por fusiones de agujeros negros supermasivos.
El estudio, titulado "Método de búsqueda astrométrica para fuentes de ondas gravitacionales resolubles individualmente con Gaia", apareció recientemente en el Cartas de revisión física. Dirigido por Christopher J. Moore, físico teórico del Centro de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Cambridge, el equipo incluyó miembros del Instituto de Astronomía de Cambridge, el Laboratorio Cavendish y el Instituto Kavli de Cosmología.
En resumen, las ondas gravitacionales (GW) son ondas en el espacio-tiempo creadas por eventos violentos, como fusiones de agujeros negros, colisiones entre estrellas de neutrones e incluso el Big Bang. Originalmente predicho por la Teoría de la relatividad general de Einstein, los observatorios como LIGO y Advanced Virgo detectan estas ondas midiendo la forma en que el espacio-tiempo se flexiona y comprime en respuesta a los GW que pasan a través de la Tierra.
Sin embargo, pasar GWs también causaría que la Tierra oscile en su ubicación con respecto a las estrellas. Como resultado, un telescopio espacial en órbita (como Gaia) podría captar esto al notar un cambio temporal en la posición de las estrellas distantes. Lanzado en 2013, el observatorio Gaia ha pasado los últimos años realizando observaciones de alta precisión de las posiciones de las estrellas en nuestra galaxia (también conocida como astrometría).
A este respecto, Gaia buscaría pequeños desplazamientos en el campo masivo de estrellas que está monitoreando para determinar si las ondas gravitacionales han pasado por el vecindario de la Tierra. Para investigar si Gaia estaba o no a la altura de la tarea, Moore y sus colegas realizaron cálculos para determinar si el telescopio espacial Gaia tenía la sensibilidad necesaria para detectar GW de frecuencia ultrabaja.
Con este fin, Moore y sus colegas simularon ondas gravitacionales producidas por un agujero negro supermasivo binario, es decir, dos SMBH orbitando entre sí. Lo que encontraron fue que al comprimir los conjuntos de datos por un factor de más de 106 (midiendo 100,000 estrellas en lugar de mil millones a la vez), los GW podrían recuperarse de los datos de Gaia con una pérdida de sensibilidad de solo 1%.
Este método sería similar al utilizado en las matrices de sincronización de Pulsar, donde se examina un conjunto de púlsares de milisegundos para determinar si las ondas gravitacionales modifican la frecuencia de sus pulsos. Sin embargo, en este caso, las estrellas están siendo monitoreadas para ver si están oscilando con un patrón característico, en lugar de pulsar. Al observar un campo de 100,000 estrellas a la vez, los investigadores podrían detectar movimientos aparentes inducidos (ver figura anterior).
Debido a esto, es probable que la publicación completa de los datos de Gaia (programada para principios de 2020) sea una gran oportunidad para quienes buscan señales GW. Como Moore explicó en un APS Física presione soltar:
“Gaia hará que medir este efecto sea una perspectiva realista por primera vez. Muchos factores contribuyen a la viabilidad del enfoque, incluida la precisión y la larga duración de las mediciones astrométricas. Gaia observará alrededor de mil millones de estrellas durante 5–10 años, localizando cada una de ellas al menos 80 veces durante ese período. Observar tantas estrellas es el gran avance proporcionado por Gaia ".
También es interesante observar que el potencial para la detección de GW era algo que los investigadores reconocieron cuando Gaia todavía se estaba diseñando. Uno de esos individuos fue Sergei A. Klioner, investigador del Observatorio Lorhrmann y líder del grupo Gaia en TU Dresden. Como indicó en su estudio de 2017, "Astrometría similar a Gaia y ondas gravitacionales", Gaia pudo detectar los GW causados por la fusión de SMBH años después del evento:
"Está claro que las fuentes más prometedoras de ondas gravitacionales para la detección astrométrica son los agujeros negros binarios supermasivos en los centros de las galaxias ... Se cree que los agujeros negros supermasivos binarios son un producto relativamente común de interacción y fusión de galaxias en el curso típico de su evolución Este tipo de objetos pueden dar ondas gravitacionales con frecuencias y amplitudes potencialmente al alcance de la astrometría espacial. Además, a menudo se puede considerar que las ondas gravitacionales de esos objetos tienen una frecuencia y amplitud prácticamente constantes durante todo el período de observaciones de varios años ".
Pero, por supuesto, no hay garantías de que examinar los datos de Gaia revele señales GW adicionales. Por un lado, Moore y sus colegas reconocen que las ondas a estas frecuencias ultrabajas podrían ser demasiado débiles para que incluso Gaia las detecte. Además, los investigadores tendrán que poder distinguir entre GW y señales conflictivas que resultan de cambios en la orientación de la nave espacial, ¡lo cual no es un desafío fácil!
Aún así, existe la esperanza de que misiones como Gaia puedan revelar GW que no sean fácilmente visibles para los detectores interferométricos terrestres como LIGO y Advanced Virgo. Dichos detectores están sujetos a efectos atmosféricos (como la refracción) que les impiden ver ondas de frecuencia extremadamente baja, por ejemplo, las ondas primordiales producidas durante la época inflacionaria del Big Bang.
En este sentido, la investigación de ondas gravitacionales no es diferente a la investigación de exoplanetas y muchas otras ramas de la astronomía. Para encontrar las gemas ocultas, los observatorios pueden necesitar tomar el espacio para eliminar la interferencia atmosférica y aumentar su sensibilidad. Es posible entonces que otros telescopios espaciales se vuelvan a utilizar para la investigación de GW, y que los detectores de GW de próxima generación se monten a bordo de naves espaciales.
En los últimos años, los científicos han pasado de hacer la primera detección de ondas gravitacionales a desarrollar nuevas y mejores formas de detectarlas. A este ritmo, no pasará mucho tiempo antes de que los astrónomos y cosmólogos puedan incluir ondas gravitacionales en nuestros modelos cosmológicos. En otras palabras, podrán mostrar qué influencia jugaron estas ondas en la historia y la evolución del Universo.
