?C¨®mo se sabe de d¨®nde proceden las ondas gravitacionales?

A d¨ªa de hoy hay once detecciones de ondas gravitacionales confirmadas: diez de ellas proceden de fusiones de agujeros negros y una, la que fue famosa el verano pasado, de la fusi¨®n de dos estrellas de neutrones. Aunque quiz¨¢ debemos comenzar por explicar que las ondas gravitacionales son perturbaciones en el espacio-tiempo producidas por materia acelerada y que se trasmiten por el universo a la velocidad de la luz.

Para localizar la procedencia de estas se?ales usamos detectores. Pero nuestros detectores no funcionan como un telescopio en el que t¨² apuntas al cielo y observas esa porci¨®n de cielo a la que est¨¢s apuntando. Nuestros telescopios se parecen m¨¢s a un micr¨®fono en el que t¨² puedes recibir se?ales procedentes de cualquier parte del cielo y, luego, con el an¨¢lisis de los datos, deducimos toda la informaci¨®n: de qu¨¦ se trata, de d¨®nde proviene, etc¡­ Para deducir de d¨®nde provienen tenemos que considerar el tipo de se?al. Estas se?ales producidas por ondas gravitacionales las clasificamos en cuatro grandes grupos dependiendo de su naturaleza y caracter¨ªsticas. El primero es el de las provenientes de fusiones de sistemas binarios (conjuntos formados por dos objetos astron¨®micos como dos estrellas de neutrones o agujeros negros, etc¡­) que es lo ¨²nico que hemos visto hasta ahora y que son se?ales de muy corta duraci¨®n: desde menos de un segundo a pocos minutos. Est¨¢n tambi¨¦n las se?ales de tipo supernovas que no se han visto todav¨ªa y que igualmente ser¨¢n transitorias, es decir, de corta duraci¨®n. Luego tenemos las se?ales continuas como las provenientes de estrellas de neutrones en rotaci¨®n y que son se?ales de ondas gravitacionales que se producen sin necesidad de que los objetos astron¨®micos que las emiten colapsen, y que son continuas porque est¨¢n siempre ah¨ª. Y, por ¨²ltimo, podemos tener un fondo cosmol¨®gico estoc¨¢stico que no sabemos cu¨¢ndo lo podremos observar, posiblemente dentro de algunas d¨¦cadas, y que son las se?ales de las ondas gravitacionales que se produjeron en el inicio del Big Bang.

Todas las se?ales que hemos sido capaces de detectar hasta ahora son de corta duraci¨®n. Y para localizar de d¨®nde provienen hemos necesitado una red de detectores y t¨¦cnicas de an¨¢lisis de datos, como por ejemplo triangulaci¨®n u otras m¨¢s sofisticadas como inferencia bayesiana. LIGO, que es el observatorio internacional de ondas gravitacionales y cuyos tres m¨¢ximos responsables ganaron el Premio Nobel de F¨ªsica en 2017, son dos detectores, y tambi¨¦n tenemos el detector europeo Virgo. Cuando identificas una se?al sabes que es real si se observa en los dos detectores. Si la fuente, ya sean las parejas de agujeros negros o estrellas de neutrones que est¨¢n colapsando, est¨¢ a la misma distancia de los dos detectores, la se?al llegar¨¢ de forma simult¨¢nea a los dos. Si llega as¨ª, t¨² sabes que la fuente es equidistante a los dos detectores y entonces puedes trazar un c¨ªrculo en el cielo equidistante a la posici¨®n de tus dos detectores. Si la se?al llega primero a un detector y un pel¨ªn m¨¢s tarde al otro, puedes calcular en qu¨¦ zona del cielo est¨¢ localizada la fuente de tal manera que la diferencia en la llegada del frente de ondas de un detector a otro corresponde a esa diferencia de pocos milisegundos que observas entre lo que ha visto un detector y lo que ha visto el otro. Simplemente utilizando este m¨¦todo de la diferencia de tiempo, puedes localizar una zona en el cielo.

Si adem¨¢s tienes un tercer detector, por ejemplo los dos detectores LIGO, te dan un circulito, y un tercer detector, el Virgo europeo, te da otro circulito, entonces la intersecci¨®n de esos dos c¨ªrculos te dar¨¢ un posicionamiento mucho mejor. En la pr¨¢ctica, nuestro an¨¢lisis es m¨¢s sofisticado porque tambi¨¦n aplicamos inferencias estad¨ªsticas complejas, pero b¨¢sicamente la forma en la que lo hacemos es esa.

Cuando identificas una se?al sabes que es real si se observa en los dos detectores

Pero tambi¨¦n queremos saber qu¨¦ tipo de fuente ha producido esas ondas gravitacionales. El m¨¦todo ¨®ptimo para analizar los datos es lo que se llama en ingl¨¦s matched filtering y en espa?ol filtrado adaptado. Para entender qu¨¦ es esto hay una analog¨ªa muy buena: las aplicaciones de los m¨®viles que identifican qu¨¦ canci¨®n est¨¢ sonando como Shazam. Esa aplicaci¨®n tiene una base de datos de canciones con las que compara la que est¨¢ sonando y busca las m¨¢ximas coincidencias. Pues eso es lo que hacemos nosotros: comparamos los datos de una posible se?al con todo un cat¨¢logo del que disponemos. La forma de nuestra se?al depende de c¨®mo es la fuente de la que proviene: masas, giros y toda una serie de par¨¢metros f¨ªsicos. Esos par¨¢metros son los que identifican si son agujeros negros, estrellas de neutrones, supernovas, etc... Vas buscando entre los millones de perfiles con los que contamos cu¨¢l es la m¨¢s parecida. Y de esa manera sabemos no solo de qu¨¦ zona del cielo provienen sino qu¨¦ tipo de fuente las ha producido.

Alicia Sintes es f¨ªsica te¨®rica, investigadora principal de la colaboraci¨®n LIGO en la Universidad de las Islas Baleares.

Pregunta enviada v¨ªa email por Alejandro Fern¨¢ndez Ordo?ez

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