¿Cómo se sabe de dónde proceden las ondas gravitacionales?

A día 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 fusión de dos estrellas de neutrones. Aunque quizá 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 señales usamos detectores. Pero nuestros detectores no funcionan como un telescopio en el que tú apuntas al cielo y observas esa porción de cielo a la que estás apuntando. Nuestros telescopios se parecen más a un micrófono en el que tú puedes recibir señales procedentes de cualquier parte del cielo y, luego, con el análisis de los datos, deducimos toda la información: de qué se trata, de dónde proviene, etc… Para deducir de dónde provienen tenemos que considerar el tipo de señal. Estas señales producidas por ondas gravitacionales las clasificamos en cuatro grandes grupos dependiendo de su naturaleza y características. El primero es el de las provenientes de fusiones de sistemas binarios (conjuntos formados por dos objetos astronómicos como dos estrellas de neutrones o agujeros negros, etc…) que es lo único que hemos visto hasta ahora y que son señales de muy corta duración: desde menos de un segundo a pocos minutos. Están también las señales de tipo supernovas que no se han visto todavía y que igualmente serán transitorias, es decir, de corta duración. Luego tenemos las señales continuas como las provenientes de estrellas de neutrones en rotación y que son señales de ondas gravitacionales que se producen sin necesidad de que los objetos astronómicos que las emiten colapsen, y que son continuas porque están siempre ahí. Y, por último, podemos tener un fondo cosmológico estocástico que no sabemos cuándo lo podremos observar, posiblemente dentro de algunas décadas, y que son las señales de las ondas gravitacionales que se produjeron en el inicio del Big Bang.

Todas las señales que hemos sido capaces de detectar hasta ahora son de corta duración. Y para localizar de dónde provienen hemos necesitado una red de detectores y técnicas de análisis de datos, como por ejemplo triangulación u otras más sofisticadas como inferencia bayesiana. LIGO, que es el observatorio internacional de ondas gravitacionales y cuyos tres máximos responsables ganaron el Premio Nobel de Física en 2017, son dos detectores, y también tenemos el detector europeo Virgo. Cuando identificas una señal 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 están colapsando, está a la misma distancia de los dos detectores, la señal llegará de forma simultánea a los dos. Si llega así, tú sabes que la fuente es equidistante a los dos detectores y entonces puedes trazar un círculo en el cielo equidistante a la posición de tus dos detectores. Si la señal llega primero a un detector y un pelín más tarde al otro, puedes calcular en qué zona del cielo está 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 método de la diferencia de tiempo, puedes localizar una zona en el cielo.

Si además 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 intersección de esos dos círculos te dará un posicionamiento mucho mejor. En la práctica, nuestro análisis es más sofisticado porque también aplicamos inferencias estadísticas complejas, pero básicamente la forma en la que lo hacemos es esa.

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

Pero también queremos saber qué tipo de fuente ha producido esas ondas gravitacionales. El método óptimo para analizar los datos es lo que se llama en inglés matched filtering y en español filtrado adaptado. Para entender qué es esto hay una analogía muy buena: las aplicaciones de los móviles que identifican qué canción está sonando como Shazam. Esa aplicación tiene una base de datos de canciones con las que compara la que está sonando y busca las máximas coincidencias. Pues eso es lo que hacemos nosotros: comparamos los datos de una posible señal con todo un catálogo del que disponemos. La forma de nuestra señal depende de cómo es la fuente de la que proviene: masas, giros y toda una serie de parámetros físicos. Esos parámetros son los que identifican si son agujeros negros, estrellas de neutrones, supernovas, etc... Vas buscando entre los millones de perfiles con los que contamos cuál es la más parecida. Y de esa manera sabemos no solo de qué zona del cielo provienen sino qué tipo de fuente las ha producido.

Alicia Sintes es física teórica, investigadora principal de la colaboración LIGO en la Universidad de las Islas Baleares.

Pregunta enviada vía email por Alejandro Fernández Ordoñez

Coordinación y redacción: Victoria Toro

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