la astronomía de ondas gravitatorias en el siglo...

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http://www.rsef.org REF, Vol. 25-2, Abril-Junio 2011 Dentro del marco de la Física Teórica, la gravedad apa- rece como una de las cuatro interacciones fundamentales, siendo las otras tres la electromagnética y las interacciones nucleares débil y fuerte. Electromagnetismo y gravita- ción son las dos únicas interacciones de largo rango de acción (en principio ilimitado), en contraposición a las dos interacciones nucleares, cuyo rango de acción está limitado esencialmente a regiones cuyo tamaño es del orden de un núcleo atómico o inferior. Una consecuencia directa de esto es que las interacciones nucleares no pueden transportar información a distancias macroscópicas y por lo tanto no son de utilidad para la Astronomía. Las otras dos, electro- magnetismo y gravedad, se propagan a través del espacio a la velocidad de luz, tal y como nos indican las teorías de Maxwell y Einstein respectivamente, y tal como com- probamos en diferentes observaciones y experimentos. Lo que determina la fuerza que estas interacciones producen son su intensidad y las correspondientes susceptibilidades de la materia a ellas, lo que denominamos cargas, la carga eléctrica en el caso electromagnético y la masa en el caso gravitatorio. En la naturaleza observamos que la interacción electromagnética produce fuerzas que son muchos órdenes de magnitud superiores a las de la gravitatoria, que es la más débil de todas las interacciones. Por lo tanto, no es de extrañar que la Astronomía haya estado dominada comple- tamente por detectores de ondas electromagnéticas y fotones (las partículas cuánticas asociadas a campos electromagné- ticos), desde telescopios ópticos hasta detectores de rayos X y gamma, incluyendo antenas de radio. Gracias a estos ins- trumentos la Astronomía ha producido grandes revoluciones que han cambiado nuestra percepción del Universo: Desde la Copernicana que comenzó en el siglo XVI, hasta los des- cubrimientos en cosmología que comenzaron en el siglo XX y continúan hoy día. Pero no todo lo que se mide u observa en astronomía es luz, hay otros mensajeros que nos informan sobre lo que sucede en diferentes lugares de nuestro Universo: meteori- tos, neutrinos, rayos cósmicos (protones, electrones, etc.), ondas gravitatorias. Los meteoritos nos dan información de nuestro entorno local, principalmente del Sistema Solar. Los neutrinos y rayos cósmicos pueden provenir desde nuestro entorno local hasta galaxias muy distantes. La detección de estas partículas, mediante técnicas similares a las empleadas en aceleradores de partículas, ha dado lugar a una nueva área de investigación muy activa denominada Astropartículas. El mensajero del que trata este artículo son las ondas gravitato- rias y su empleo para la investigación astronómica constituye lo que denominamos Astronomía de Ondas Gravitatorias. Las ondas gravitatorias son una predicción de la Teoría General de la Relatividad (conocida comúnmente como Relatividad General) propuesta por Albert Einstein (1915) para incluir la gravitación en la estructura espacio-temporal propuesta por él mismo en su Teoría Especial de la Relatividad (1905). Uno de los aspectos más destacados de esta teoría es que el espacio deja de ser un simple contenedor de los fenó- menos físicos para convertirse en un objeto dinámico, en el sentido que su geometría cambia conforme a los movimientos y distribuciones de masas y energía. No solo eso, al tiempo físico le sucede algo similar, de forma que su transcurso también depende de la distribución de masa y energía. En la Teoría de la Relatividad espacio y tiempo aparecen como una única estructura que denominamos espacio-tiempo, cuya geo- Temas de Física La Astronomía de Ondas Gravitatorias en el siglo XXI Alberto Lobo y Carlos F. Sopuerta Desde sus comienzos la Astronomía ha estado dominada por el uso de instrumentos que detectan luz, desde los primeros telescopios ópticos hasta los más modernos detectores de rayos X y gamma. Fruto de este desarrollo han sido grandes descubrimientos que han ido configurando nuestra forma de compren- der el Universo. Durante el siglo pasado se han empezado a desarrollar nuevas formas de Astronomía basadas en mensajeros diferentes a la luz: detectores de rayos cósmicos, de neutrinos y de ondas gravi- tacionales. Las ondas gravitacionales son una consecuencia de la Teoría General de la Relatividad de Einstein y corresponden a oscilaciones de la geometría del espacio-tiempo que se propagan de forma similar a las ondas electromagnéticas. La debilidad de la fuerza gravitatoria hace que la detección de estas ondas suponga un gran reto tecnológico. Sin embargo, desde el punto de vista científico son una gran oportunidad, ya que transportan información prácticamente incorrupta de las fuentes que las generaron, la cual en muchos de los casos es difícil o imposible de obtener por otros medios. Este artículo es una introducción a la Astronomía de Ondas Gravitatorias, a sus métodos, a su estado actual y sobre todo a las grandes perspectivas que ofrece con la apertura de una nueva ventana a la exploración del Universo que tendrá un gran impacto tanto en Astrofísica como en Cosmología e incluso en Física Fundamental.

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http://www.rsef.org REF, Vol. 25-2, Abril-Junio 2011

DentrodelmarcodelaFísicaTeórica,lagravedadapa-rece como una de las cuatro interacciones fundamentales,siendolasotrastreslaelectromagnéticaylasinteraccionesnucleares débil y fuerte. Electromagnetismo y gravita-ción son las dos únicas interacciones de largo rango deacción(enprincipioilimitado),encontraposicióna lasdosinteraccionesnucleares,cuyorangodeacciónestálimitadoesencialmente a regiones cuyo tamaño es del orden de unnúcleoatómicooinferior.Unaconsecuenciadirectadeestoes que las interacciones nucleares no pueden transportarinformación a distancias macroscópicas y por lo tanto nosondeutilidadpara laAstronomía.Lasotras dos, electro-magnetismo y gravedad, se propagan a través del espacioa la velocidad de luz, tal y como nos indican las teoríasdeMaxwell y Einstein respectivamente, y tal como com-probamos en diferentes observaciones y experimentos. Loque determina la fuerza que estas interacciones producenson su intensidad y las correspondientes susceptibilidadesdelamateriaaellas, loquedenominamoscargas, lacargaeléctrica en el caso electromagnéticoy lamasa en el casogravitatorio.Enlanaturalezaobservamosquelainteracciónelectromagnéticaproduce fuerzasque sonmuchosórdenesde magnitud superiores a las de la gravitatoria, que es lamásdébildetodaslasinteracciones.Porlotanto,noesdeextrañarque laAstronomíahayaestadodominadacomple-tamentepordetectoresdeondaselectromagnéticasyfotones(laspartículascuánticasasociadasacamposelectromagné-ticos),desdetelescopiosópticoshastadetectoresderayosXygamma,incluyendoantenasderadio.Graciasaestosins-trumentoslaAstronomíahaproducidograndesrevolucionesquehancambiadonuestrapercepcióndelUniverso:Desde

laCopernicanaquecomenzóenelsigloXVI,hastalosdes-cubrimientosencosmologíaquecomenzaronenelsigloXXycontinúanhoydía.

Pero no todo lo que se mide u observa en astronomíaesluz,hayotrosmensajerosquenosinformansobreloquesucede en diferentes lugares de nuestroUniverso:meteori-tos, neutrinos, rayos cósmicos (protones, electrones, etc.),ondasgravitatorias.Losmeteoritosnosdan informacióndenuestroentornolocal,principalmentedelSistemaSolar.Losneutrinos y rayos cósmicos pueden provenir desde nuestroentorno localhastagalaxiasmuydistantes.Ladeteccióndeestaspartículas,mediantetécnicassimilaresalasempleadasenaceleradoresdepartículas,hadadolugaraunanuevaáreadeinvestigaciónmuyactivadenominadaAstropartículas.Elmensajerodelquetrataesteartículosonlasondasgravitato-riasysuempleoparalainvestigaciónastronómicaconstituyeloquedenominamosAstronomía de Ondas Gravitatorias.

Las ondas gravitatorias son una predicción de laTeoríaGeneral de la Relatividad (conocida comúnmente comoRelatividad General) propuesta porAlbert Einstein (1915)para incluir lagravitaciónen laestructuraespacio-temporalpropuestaporélmismoensuTeoríaEspecialdelaRelatividad(1905).Unodelosaspectosmásdestacadosdeestateoríaesqueelespaciodejadeserunsimplecontenedordelosfenó-menosfísicosparaconvertirseenunobjetodinámico,enelsentidoquesugeometríacambiaconformealosmovimientosydistribucionesdemasasyenergía.Nosoloeso,altiempofísico le sucede algo similar, de forma que su transcursotambiéndependedeladistribucióndemasayenergía.EnlaTeoríadelaRelatividadespacioytiempoaparecencomounaúnicaestructuraquedenominamosespacio-tiempo,cuyageo-

Temas de Física

La Astronomía de Ondas Gravitatorias en el siglo XXI

Alberto Lobo y Carlos F. Sopuerta

Desde sus comienzos la Astronomía ha estado dominada por el uso de instrumentos que detectan luz, desde los primeros telescopios ópticos hasta los más modernos detectores de rayos X y gamma. Fruto de este desarrollo han sido grandes descubrimientos que han ido configurando nuestra forma de compren-der el Universo. Durante el siglo pasado se han empezado a desarrollar nuevas formas de Astronomía basadas en mensajeros diferentes a la luz: detectores de rayos cósmicos, de neutrinos y de ondas gravi-tacionales. Las ondas gravitacionales son una consecuencia de la Teoría General de la Relatividad de Einstein y corresponden a oscilaciones de la geometría del espacio-tiempo que se propagan de forma similar a las ondas electromagnéticas. La debilidad de la fuerza gravitatoria hace que la detección de estas ondas suponga un gran reto tecnológico. Sin embargo, desde el punto de vista científico son una gran oportunidad, ya que transportan información prácticamente incorrupta de las fuentes que las generaron, la cual en muchos de los casos es difícil o imposible de obtener por otros medios. Este artículo es una introducción a la Astronomía de Ondas Gravitatorias, a sus métodos, a su estado actual y sobre todo a las grandes perspectivas que ofrece con la apertura de una nueva ventana a la exploración del Universo que tendrá un gran impacto tanto en Astrofísica como en Cosmología e incluso en Física Fundamental.

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metríaestadeterminadaporladistribucióndemasayenergía,yasuvez,lageometríadeterminaelmovimientodelamate-riaydelaenergía.Deestaforma,lagravedadaparececomounamanifestación de la geometría del espacio-tiempo, unaeleganteimplementacióndelprincipioGalileanodequetodoslosobjetos,independientementedesumasaycomposición,caen conlamismaaceleración.Unaconsecuenciadelcarác-terdinámicodelespacio-tiempoenlaRelatividadGeneralesquelasoscilacionesdesugeometríasepropagancomoondasconunavelocidad,medidalocalmente,exactamente igualalavelocidaddelaluz.Lasondasgravitatorias,alcambiarlageometría local de las regiones que atraviesan (véase figu-ra1),cambianladistanciafísicaentreobjetos,siendodichocambioproporcionalaladistanciamismayalaamplituddelaondas.Comoenelcasoelectromagnéticoesteesunefectotransverso,esdecir,loscambiosenladistanciaseproducenen el planoperpendicular a ladireccióndepropagacióndelaondagravitatoria.Además,tantoondaselectromagnéticascomogravitatorias tienendosestadosdepolarización inde-pendientes, aunque en teorías de la gravedad alternativas alaRelatividadGeneralpuedehaberhastaseispolarizacionesindependientes.Unadiferenciaimportanteentreondaselec-tromagnéticasygravitatoriastienequeverconsugeneración.Enelcontextoastronómico, lasondaselectromagnéticassegeneranporcargasaceleradas (emisiónpredominantementedipolar),comoporejemploelectrones,cuyotamañoesmuyinferior al de los objetos de los que forman parte y comoconsecuencia,puedenemitirluzenunalongituddeondasufi-cientementepequeñacomopararealizarimágenesdeobjetosastronómicos.Encontraste,lasondasgravitatoriassegeneranpor cambios temporales de la distribución demasa-energíadeunobjeto (radiaciónpredominantementecuadrupolar),yporestemotivosuslongitudesdeondasuelenserdelordendeltamañodelobjetoquelasgeneraomayores,conlocualnoesposibleengeneralrealizarimágenes.Enestesentidosepodríadecirque laAstronomíadeOndasGravitatoriasestámáscercanaalaAcústicaquealaÓptica.

La relativadebilidadde lagravedades lacausadequelas ondas gravitatorias tengan una amplitud relativamente

pequeñayquesudetecciónseaunaempresaextremadamen-te complicada. Ondas gravitatorias producidas por fuentesgalácticas, como la colisión de dos estrellas de neutrones,inducendesplazamientosdelordendeltamañodeunnúcleoatómicoo inferioresenundetector terrestredeunkilóme-trodetamaño.Lagranventajaqueproporcionanlasondasgravitatoriasesqueporsudébil interacciónconlamateriatransportan información prácticamente incorrupta de lasfuentesastronómicasquelasgeneraron.

La construcción de un detector de ondas gravitatoriassuponeungranretotecnológico,ytalempresanocomenzóhastalosañossesenta,coneltrabajopionerodeJosephWeberendetectoresresonantes.Elprincipiodefuncionamientodeestos detectores se basa en que una onda gravitatoria queatravieseunsólidocambiarásutamañodeformaoscilatoria,excitandodeestaformasusmodospropiosdeoscilación.Laideapor lo tantoescrearundispositivoqueseasensiblealasoscilacionesdelsólidoynospermitaextraerlaseñalgra-vitatoriaquelashaproducido.Variosdetectoresdeestetipo,lamayoríaconformacilíndrica,sehanconstruidoenvariaspartes delmundo y, contrariamente a las aseveraciones dedeteccióndeWeberenlosaños70,nohanconseguidohastalafechadetectarondasgravitatorias.Dehecho,ningúntipodedetectorlashadetectado.Entonces,¿estamossegurosquelasondasgravitatoriasexisten?¿Tenemosalgunaevidenciadesuexistencia?

La respuesta a estas preguntas es que sí, y el principalargumento nos lo proporcionó el descubrimiento en 1974delprimerpúlsarbinario,PSRB1913+16,porRussellHulseyJosephTaylor,loquelesvalióelpremioNobeldeFísicaenelaño1993.Lospúlsaressonestrellasdeneutronesdota-dasdeunenormecampomagnéticoqueacelerapartículascargadas produciendo la emisión de un haz de radiaciónelectromagnética en la dirección del ejemagnético.Comoelejemagnéticonosueleestaralineadoconelejederota-ción,estaemisiónelectromagnéticadescribeuncono,con-virtiendo los púlsares en faros cósmicos (véase figura 2).Si nuestro planeta se encuentra en la dirección del conodeemisióndelpúlsarobservaremosunaseriedepulsosde

Fig.1. Impresiónartísticade lasondasgravitatoriasproducidasporun sistemabinariodedosagujerosnegros. [Foto:K.Thorne (Cal-tech)yT.Carnahan(NASAGSFC)].

Fig.2. Esquemadelfuncionamientodeunpúlsar.Elejederotaciónyelmagnéticosondiferentes.Elcampomagnéticoacelerapartículascargadasproduciendounaemisiónderadioalolargodelejemagné-tico.Conlarotacióndelaestrellaestehazgiradescribiendounconoenelespacio,deformaqueunpúlsaractúacomounfarocósmico[ImagenextraídadeWikipedia].

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radio,queencasodelospúlsaresconrotaciónmásrápidasedanconunritmotanuniformequelosconvierteenrelojesde precisión comparable a los relojes atómicos (¡el púlsarmás rápido conocido completa más de 700 revolucionesporsegundo!EldeHulseyTaylor17).Estopermiteobser-vacionesastronómicasdeunaprecisiónsinprecedentes.ElpúlsardeHulseyTaylororbitaalrededordeotraestrelladeneutronesde formaqueel tamañode laórbitaessuficien-tementepequeño(ladistanciamínimaentreellasesaproxi-madamentelamitaddeladistanciadelaTierraalSol)comoparaqueestasestrellas tancompactas(tienenunamasaunpocoinferioraunavezymedialamasadelSolperounradiode tan sólo unos 10 kilómetros) semuevan de forma quelosefectosrelativistasimportenparaunadescripciónpreci-sadelsistema.Enconcreto,elmovimientoorbitalperiódicode tales masas con velocidades considerables (cientos dekilómetros por segundo respecto del centro de masas delsistema binario) produce cambios periódicos significativosen la geometría del espacio-tiempode su entorno.Y estoscambiosperiódicosen lageometríano sonmásqueondasgravitatorias que se propagan en todas las direcciones lle-vándose consigo energía y momento angular del sistema.Esta emisión gravitatoria afecta a su vez al movimientoorbital,disminuyendosu tamañoyelperiodoorbital, talycomoseobserva.Tambiénsepuedenobservarotrosefectosrelativistas como la precesión del periastro de la órbita.Los 35 años de observaciones del púlsar binario deHulseyTaylor han permitido comprobar que la evolución de suórbitacoincideconlapredichaporelmecanismodeemisiónderadiacióngravitatoriadelaRelatividadGeneralconunaprecisión relativa del 0.2%.Actualmente se conocen otrospúlsaresbinariosyalgunosdeellos tambiénseencuentranenunrégimenrelativista.Eldenominadopúlsar doble,PSRJ0737-3039A/B, un sistema binario compuesto por dospúlsares, se ha convertido recientemente en el mejor testdisponibledelaRelatividadGeneral,alcanzadoprecisionesrelativasdel0.05%.

Estos descubrimientos han contribuido a impulsar eldesarrollodedetectoresdeondasgravitatorias,ylosquehoyen día han alcanzando unamayor sensibilidad son los lla-madosdetectores interferométricos.Sonbásicamente inter-ferómetros del tipo Michelson-Morley dispuestos en unaformadeL(véasefigura3)yelconceptodefuncionamientoes relativamente simple (véase figura4): cuandounaondagravitatoriaincideperpendicularmentealplanodeldetectorproducecambiosenlalongituddelosbrazosdelinterferó-metro,deformaquemientrasunoseacortaelotrosealarga

yviceversa.Estoscambiosdanlugarainterferenciasdelascualessepuedeinferirelpatróndelasondasgravitatoriasquehanatravesadoeldetector.Actualmentehayvariosdetecto-res interferométricos terrestres en operación: LIGO en losEstadosUnidos(dos4kmyunode2kmdebrazo);VIRGOenItaliaconparticipacióndevariospaíseseuropeos(3kmdebrazo);GEO600enAlemaniaconparticipaciónbritánica(600mdebrazo).Apartehayvariosproyectosendesarrolloendiversaspartesdelplaneta,comoporejemploelLCGTenJapón(3kmdebrazo),unambiciosoproyectoreciente-menteaprobadoquesubstituyealanteriordetectorTAMAyalprototipoCLIO,yqueseconvertiráenelprimerdetectorinterferómetricodetipocriogénico.Labandadefrecuenciasalaqueoperanestácontenidaenelrango10-10000Hz.Afrecuenciasmásbajasestánlimitadosporruidosísmicoyelgradientegravitatorio,mientrasqueafrecuenciasmásaltasestánlimitadosporelruidodelosfotodetectores.Peseaquenosehanrealizadoaúndetecciones,observacionesdeLIGOhanservidoparaproducirnuevacienciamedianteelanálisisdelasconsecuenciasdelasnodeteccionesalniveldesen-sibilidadactual.Sepuedendestacardos resultados: (1)EnlaconstelacióndelCangrejohayunpúlsar jovenresultadodeunasupernova(explosióndeunaestrella).Lafrecuenciarotacionaldeestepúlsardisminuyeconeltiempo.LIGOhalimitadoaun4%lacontribucióndeunahipotéticaemisiónderadiacióngravitatoria, locualexcluyediversosmodelosastrofísicosque tratabandeexplicareste fenómeno. (2)Lateoríacosmológicadelagranexplosión(BigBang)requiereunafaseprimitivadegranexpansióndelUniversoquedaríalugar,entreotrascosas,aunfondoderadiacióngravitatoria.LasobservacionesdeLIGOhanpuestolímitesaladensidaddeenergíaalmacenadaenestefondo,mejorandoloslímitesimpuestospor la teoríadeformacióndeelementosprimor-diales,parteasuvezdelmodeloestándardelaCosmología.Duranteelpresenteaño,tantoLIGOcomoVIRGOpararánlasoperacionesparaincorporartecnologíaavanzada:mejoradelossistemasdevacío, láseresdeprecisiónmáspotentesymejorasdelossistemasópticosymecánicos.Conestoselograráunamejoradeunordendemagnitudenlasensibili-

Mirror

Mirror

Laser

LightstoragearmLightstoragearm

Mirror

Mirror

Beamsplitter

Photodetector

Fig.4. Esquemabásicodeundetectordeondasgravitatoriasinterferó-metrico.Unhazdeluzlásersedivideendosdeformaqueatraviesalosdosbrazosdelinterferométropasandoyreflejándoseenlosespejosensuspensiónqueactúancomomasasdeprueba.Alrecombinarseenel fotodetectorpodemosdetectar lapresenciadeondasgravitatoriasmedianteelanálisisdelasfranjasdeinterferencia[ImagencortesíadellaboratorioLIGO].

Fig.3. ImagenaéreadeldetectorinterferométricodeLIGOenHan-ford(4kilómetrosdebrazo),Washington(izquierda)ydeldetectorVIRGOenPisa(3kilómetrosdebrazo),Italia(derecha).

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dad,locualequivaleaaumentarentresórdenesdemagnitudel volumen del cosmos que cubrirán.Almismo tiempo serealizarálaconstruccióndeldetectorcriogénicoLCGTenlaminadeKamioka(Japón).Unavezestosmodelosavanza-dosentrenenoperaciónseesperaquerealicendeteccionesde radiacióngravitatoria conun ritmo,de acuerdo con lospronósticosastrofísicossobrelaformacióndelasfuentesdeondasgravitatoriasrelevantes,de10-1000eventosporaño.

Las principales fuentes astrofísicas y cosmológicas paraestos detectores terrestres son: colisiones de sistemas bina-rios formados por agujeros negros estelares y/o estrellas deneutrones; oscilaciones de estrellas relativistas; supernovas;fondoscosmológicosdediversoorigen.Estasobservacionesrevelarán información clave para entender la formación deobjetoscompactosestelares,laecuacióndeestadodeestrellasdeneutrones,lavalidezdelaRelatividadGeneral,etc.

Porotraparte,laAgenciaEuropeadelEspacio(ESA)ylaAdministraciónNacionalparaelEspacioylaAeronáuticanorteamericana (NASA) colaboran en la construcción deun observatorio espacial de ondas gravitatorias, laAntenaEspacialdeInterferometríaLáser(LISA),queseesperaqueselanceduranteladécadade2020.Haydosmotivosdepesoparaconstruirunobservatorioespacial.Elprimeroescubrirlabandadebajasfrecuencias,enelrango3x10–5-0.1Hz,inaccesiblealosdetectoresterrestres.Elsegundoesqueestabandadefrecuenciasdaaccesoafuentesdeondasgravita-toriasyaunacienciacompletamentediferentes,conmuchasmás implicaciones para el panoramade laAstrofísica y laCosmología.LISAsecomponedetresnavesespacialesdis-puestasenuntriánguloequilátero,de5millonesdekilóme-trosdelado,yquesiguenunaórbitaalrededordelSol(véasefigura5).Paraqueladinámicapropiadecadanavepreservelomásposible laconfiguración triangular,estahadeestarinclinada60ºrespectodelplanodelaeclíptica(véasefigu-ra 6). De esta forma el triángulo gira sobre su baricentrouna vez por año/órbita, lo cual introduce unamodulaciónen las señales gravitatorias que esmuy útil para localizarlosobjetosque lasemitieron.LISAesunamisiónconunatecnologíamuynovedosayexigentequeunamisiónprecur-sora de laESA,LISAPathFinder, se encargará dedemos-trar.Nuestrogrupo en el InstitutodeCienciasdelEspacio(CSIC-IEEC)participaeneldesarrollodeestamisióncontri-buyendoconalgunosinstrumentosfundamentales,comoporejemplo el ordenador que controlará el denominado LISA

Technology Package, el conjunto de experimentos queLISAPathFinderrealizará.

PasandoalapartecientíficadeLISA,unodelosprin-cipales puntos a resaltar es el hecho de que actualmenteLISAeselúnicoproyectodedetectorderadiacióngravi-tatoria del que conocemos fuentes garantizadas. Se tratade sistemas binarios galácticos con periodos inferiores a2 horas, conocidos comobinarias de verificación ya que serán muy útiles para la calibración de LISA. Además,se espera que LISA observe principalmente las siguien-tes fuentes de ondas gravitatorias: (i) Sistemas estelares binarios en nuestra galaxia y algunos extragalácticos.LISAdetectarávariosmillonesdeestossistemas,lamayorpartedeloscualesformaránunfondoderadiacióngravi-tatoria y losmásbrillantes podrán resolversey separarsede este fondo. (ii) Caída orbital y colisión de agujeros negros supermasivos.Lasobservacionesastronómicasnosproporcionan evidencia de que prácticamente todas lasgalaxias contienen un agujero negro en su núcleo centraly que estas, a lo largo de su historia, han sufrido variascolisionesconotrasgalaxias(véasefigura7).Cuandodosgalaxiascolisionanparaformarunanueva,susrespectivosagujerosnegrosmigranhaciaelnuevonúcleodebidoalafricción dinámica, donde formanun sistemabinario cuyaórbita, a partir de un determinado momento, se reduciráporemisiónderadiacióngravitatoriahastalacolisiónfinal,que resultará en la formaciónde unúnico agujero negro.LISAserá capazdedetectar todas estas colisionesdentrode nuestroUniverso observable. (iii)La captura y poste-rior caída orbital de objetos estelares compactos (enanas blancas, estrellas de neutrones, agujeros negros estelares) hacia agujeros negros supermasivos. En el núcleo galác-tico, en torno a los agujeros negros supermasivos, hayuna gran concentración de objetos estelares compactos.Eventualmente,ydebidoainteraccionesgravitatoriasentreellos, uno de estos objetos estelares puede ser capturadopor la gravedad del agujero negro supermasivo e iniciaruna largacaídaenespiralhaciaeste (debidoa laemisiónderadiacióngravitatoriadelsistema)hastaserfinalmenteabsorbidoporél.Estacaídaeslenta,detalformaqueLISApodrá detectar la radiación gravitatoria emitida durante

Fig.5. Impresión artística de la constelaciónLISA, compuesta portres naves espaciales en configuración triangular y separadas cin-comillonesdekilómetros.Lasnavesseenvianluzláserentreellas[ImagencortesíadeEADSAstrium].

Earth

Sun

VenusMercuri

1AU

20º

5x106km

Relativeorbitofspacecraft

60º

Fig.6. OrbitaheliocéntricadelaconstelaciónLISA.LaconstelacióntriangularorbitaalrededordelSolyrealizaunarotacióncompletaalrededordesubaricentroporcadaórbita(año).Estaseparada20º(medidosobreelplanoorbital)delaTierraparaminimizarlosefec-tosdeesta[ImagencortesíadelaAgenciaEspacialEuropea(ESA)].

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cientos demiles de órbitas durante el último año de unodeestossistemas,yestosuponequepodremosextraersusparámetrosfísicosconunagranprecisión.(iv)Fondos de radiación gravitatoria de origen cosmológico.Deacuerdoconlamayoríademecanismosteóricosquelospredicen,elespectrodeestosfondosesmuyamplio(enalgunoscasosesplanooligeramenteinclinado)ypuedenserobservadospor detectores que operen en diferentes partes del espec-trogravitatorio.

La detección de las fuentes descritas permitirá desarro-llar una ciencia muy amplia y revolucionaria, que influen-ciará tanto la Astrofísica y la Cosmología como la FísicaFundamental.Sobre lacienciaqueseesperadesarrollarconLISApodemosdestacar:comprensióndeladinámicadelosnúcleosgalácticos;comprobarlavalidezdediferentesmode-losdeformacióndegalaxias;comprobarsilosagujerosnegrossoncomolosdescribelaRelatividadGeneral(caracterizadosúnicamenteporsumasaymomentoangularintrínseco);ponerapruebateoríasalternativasalaRelatividadGeneral;etc.

Apartedelosdetectoresdeondasgravitatoriasdescritos,se ha propuesto otra forma de detectar ondas gravitatoriasbasadaenelajustetemporal(timing)deunconjuntodepúl-saresconperiodosdelordendemilisegundos.Cuandounaondagravitatoriapasaatravésdelaregiónentrelospúlsaresy laTierra produce cambios en los tiempos de llegada delospulsos.Conuna tecnología adecuada, unbuennúmerodepúlsares(unpardedecenas)yuntiempodeobservaciónsuficientementelargo(unosdiezaños),lapresenciadeondasgravitatorias, en la banda ultra baja, entre 10–9 y 10–7Hz,puedeserdetectada.Lasfuentesenestabandaincluyenlos

agujerosnegrosmásmasivos,conmasassuperioresacientosdemillonesdeveceslamasadelSol,yfondosderadiacióngravitatoriadeorigendiverso.

LaAstronomíadeOndasGravitatoriasseiniciódurantelasegundamitaddelsiglopasadoyhadetenersuépocadeesplendor a lo largode la primeramitaddel presente, conla puesta en funcionamiento de la segunda generación dedetectores terrestres comoLIGO,VIRGOyLCGT, con elfuturo observatorio espacial LISA, con la observación demúltiples púlsares y con el desarrollo de proyectos de ter-cera generación que están siendo actualmente debatidos ydiseñados.Cada vez que enAstronomía se ha abierto unanueva ventana a la exploración del Universo (infrarroja,radio, rayosX, rayos gamma, etc.) se han realizado gran-desdescubrimientos.Muchosdeelloshanconsistidoen laaparicióndenuevosobjetosastronómicosy/onuevosfenó-menosfísicos,lamayoríadevecesdeformainesperada.LaAstronomíadeOndasGravitatoriasabriráunanuevaventanausandounanuevaherramienta,unnuevomensajerocósmi-co, lagravedad,yconellonosesperannuevassorpresasygrandesdescubrimientosquepuedencambiarnuestraformadeverelUniverso.

Referencias

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Alberto Lobo y Carlos F. Sopuerta Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC-IEEC ), Barcelona.

Fig.7. Colisiónentredosgalaxiasespirales(NGC6050yIC1179)enlaconstelacióndeHércules,aunos450millonesdeañosluzdelaTierra.EstasgalaxiasformanpartedelcúmulodegalaxiasHércules,parteasuvezdelaGranMuralladecúmulosysupercúmulos,laes-tructuramásgrandeconocidaenelUniverso.ImagentomadaporelTelescopioEspacialHubble.[Créditosdelasimágenes:NASA,ESA,elHubbleHeritage(STScI/AURA)–colaboraciónESA/HubbleyK.Noll(STScI)].