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¿Y si las viudas negras cazan ondas gravitacionales?

  • Título del artículo original: Irradiated but not eclipsed, the case of PSRJ0610−2100
  • Autoras/es: E. van der Wateren, C. G. Bassa, C. J. Clark, R. P. Breton, I. Cognard, L. Guillemot, G. H. Janssen, A. G. Lyne, B. W. Stappers, and G. Theureau
  • Institución de la primera autora: ASTRON, Netherlands Institute for Radio Astronomy, The Netherlands
  • Estado de la publicación: publicado en Astronomy & Astrophysics, de acceso abierto.

Ondas en el espacio-tiempo

En los últimos años se ha vuelto cada vez más frecuente oír hablar de las famosas ondas gravitacionales, deformaciones del espacio-tiempo producidas por el movimiento de objetos masivos, como la colisión de dos agujeros negros. Lo que quizás no sepan es que cada una tiene su propia frecuencia característica. Dicho de otra manera: el tiempo que tardan en repetirse estas ondas es distinto, dependiendo de diversos factores. Por ejemplo, si dos objetos muy masivos (como los agujeros negros o las estrellas de neutrones) se orbitan mutuamente, sus masas y la distancia a la que orbitan determinarán la frecuencia de las ondas gravitacionales que produce su movimiento.

A muy grandes rasgos y haciendo un símil con el sonido, podemos decir que las ondas gravitacionales más “agudas” (frecuencias altas) serían producidas por pares de objetos que se orbitan mutuamente en apenas unas horas; mientras las ondas gravitacionales más “graves” (frecuencia bajas) las producen pares de objetos que tardan años en orbitarse. El problema es que cuanto menor sea la frecuencia de la onda, mayor es el instrumento que necesitamos para detectarlas. Por ejemplo: los famosos detectores LIGO y Virgo, con sus 4 kilómetros de longitud, permiten detectar “sólo” las ondas gravitacionales más “agudas” (frecuencia altas, de hercios a kilohercios), como las procedentes de los últimos instantes antes de la fusión de dos estrellas de neutrones. Estos detectores se basan en emitir un pulso de luz láser hacia un espejo (en este caso, a 4 km de distancia) y contar cuánto tiempo tarda en regresar, ya que si hubiese algún cambio, se podría haber detectado el paso de una onda gravitacional.

Pero si queremos estudiar ondas gravitacionales más “graves” (baja frecuencia, nanohercios), como las producidas por las parejas de agujeros negros supermasivos de los centros de las galaxias, necesitamos distancias mucho mayores. Hablamos de distancias tan enormes incluso poniendo en órbita varios satélites lanzándose láseres entre sí, sería difícil observarlos. Por suerte, en la naturaleza hay objetos que nos permiten detectar tan tremendas ondas: los púlsares.

Diagrama mostrando mediante qué métodos pueden detectarse ondas gravitacionales de distinta frecuencia.
Figura 1. Objetos astronómicos cuyas ondas gravitacionales pueden detectarse según el método utilizado. De izquierda a derecha, las bandas coloreadas indican la franja de frecuencias en la que son sensibles las mediciones temporales de púlsares usando radiotelescopios (marrón), los interferómetros láser en el espacio (verde) y los interferómetros terrestres tipo LIGO o Virgo (gris). Las flechas indican las frecuencias de las ondas gravitacionales asociadas a varios fenómenos, de izquierda a derecha: pares de agujeros negros supermasivos, estrellas densas capturadas por agujeros negros supermasivos, pares de estrellas densas y estrellas de neutrones rotantes y supernovas. Crédito: Barke et al 2015

¿Cómo de preciso es tu reloj?

Los púlsares son objetos que emiten “chorros” de radiación desde sus polos de forma muy focalizada, mientras rotan sobre sí mismos. Así, cuando estos chorros apuntan hacia la Tierra recibimos su luz de forma intermitente. Podemos imaginarlos como faros estelares, con su foco girando continuamente de manera que sólo los vemos cuando el cono de luz apunta directamente hacia nuestra posición. El primer púlsar fue descubierto por Jocelyn Bell-Burnell hace más de 50 años, y desde entonces se han descubierto más de 3000.

La rotación de estos objetos es muy regular y, además, rapidísima. Los “púlsares de milisegundo” completan rotaciones en menos de unos pocos milisegundos y la gran regularidad en su rotación los convierte en potenciales detectores de ondas gravitacionales: como sabemos exactamente cada cuánto tiempo deberíamos recibir su luz, cualquier ligero retardo en la recepción del pulso podría indicar el paso de una onda gravitacional entre el púlsar y la Tierra.

Sin embargo, para que este sistema funcione hay que monitorizar una gran cantidad de púlsares continuamente al mismo tiempo, de manera que comparando en cuáles se ha producido un retardo podamos confirmar la detección de una onda gravitacional. Estos grupos de púlsares se conocen como “redes de sincronización de púlsares” o PTA (por las siglas inglesas “pulsar timing array”) y es el fundamento de proyectos de detección de ondas gravitacionales como el PTA europeo (EPTA) o el de Parkes, en Estados Unidos (PPTA). Por lo tanto, si queremos utilizar este gigantesco sistema necesitamos descubrir y estudiar centenares de púlsares para conocer sus periodos de rotación con gran precisión. Y esto es precisamente lo que hace el equipo firmante del artículo de hoy.

Figura 2. Animación de una viuda negra donde el púlsar está “evaporando” a su compañera. Crédito: NASA

Las viudas negras no sirven. ¿O quizá sí?

Sin embargo, el púlsar que estudia el equipo no es uno cualquiera, ya que vive junto a una estrella muy poco masiva (menos de un 5% de la masa del Sol) formando un sistema binario. Se llama PSR J0610−2100 y es una “viuda negra”, llamada así porque como las arañas del mismo nombre, en estos sistemas los púlsares suelen terminar matando a sus compañeras: al estar tan cerca, su radiación termina “evaporándola” sin remedio. Un fenómeno muy frecuente en este tipo de sistema es que el material que se va evaporando oculta momentáneamente el chorro de radiación del púlsar, haciendo que desde la Tierra veamos un “eclipse” en la radiación del púlsar. Pero el problema es que todo ese material en evaporación produce cambios en el campo gravitatorio y las interacciones de las componentes del sistema, dando lugar a alteraciones impredecibles en el periodo orbital del púlsar. Dichos cambios hacen que las viudas negras puedan dar “falsas alarmas” si se usan como detectores de ondas gravitacionales.

Sin embargo, PSR J0610−2100 es un caso especial ya que ¡no muestra eclipses! Gracias a datos obtenidos a lo largo de 16 años, el equipo demuestra que el periodo de este pulsar es muy regular para ser una viuda negra. ¿Qué está ocurriendo entonces en el sistema? ¿El púlsar ha pospuesto la evaporación de su compañera? ¿O la está evaporando pero el material no llega a cruzar por nuestra línea de visión?

Serie de datos distribuídos alrededor de un eje horizontal centrado en el cero.
Figura 3. Variación del periodo (eje vertical, cada unidad es 0,864 milisegundos) de la viuda negra PSR J0610−2100 a lo largo de los 16 años de estudio. Los colores indican la duración de las observaciones tenida en cuenta para el análisis. Crédito: adaptado de la Figura 2 del artículo original.

PSR J0610−2100 no es la primera viuda negra que no muestra eclipses, así que el equipo estudió detalladamente el sistema para descubrir la causa. Por un lado, comparando las características del sistema con los de otras viudas negras descubren que, en general, aquellas que muestran eclipses suelen tener inclinaciones más altas. La inclinación se refiere a la dirección desde la que vemos el sistema: tiene inclinación alta si el plano orbital coincide con nuestra línea de visión, es decir, si vemos el sistema “de lado”, de manera que a medida que se orbitan, una tapa a la otra y viceversa. Por el contrario, una inclinación baja implica que estamos viendo el sistema con cierto ángulo sobre el plano orbital, pudiendo ver ambas componentes de la binaria todo el tiempo. Así, este resultado implica que es menos frecuente ver eclipses en las viudas negras si su configuración es tal que las vemos “desde arriba”. Por lo tanto, podría ocurrir que la estrella sí se esté evaporando, pero su inclinación haga que no sea algo obvio de detectar. Sin embargo, el equipo sigue indagando y encuentra que de hecho, la estrella compañera está menos caliente de lo que cabría esperar, así que es muy posible que aún no se esté “evaporando”.

En definitiva, la ausencia de eclipses puede deberse a una inclinación no excesivamente alta y no necesariamente a la ausencia de gas en el sistema. Pero el hecho de que no haya comenzado la evaporación de la estrella compañera sí evitaría las alteraciones en el periodo de rotación del púlsar que afecta a otras viudas negras, de manera que el de PSR J0610−2100 se mantiene muy constante a lo largo del tiempo. Y esto quiere decir que, pese a ser una viuda negra, ¡el sistema es perfecto para usarse como detector de ondas gravitacionales! Quién nos iba a decir que, después de todo, una viuda negra podría ayudarnos a “cazar” ondas gravitacionales…

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