Novas xanelas ao universo

2018/09/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astrofisika
• Astronomia

“Señores, detectamos ondas gravitatorias. Fixémolo!”, anunciou o director executivo de LIGO, David Reitze, en febreiro de 2016, a rolda de prensa paira comunicar o descubrimento. “Necesitamos meses paira saber que realmente eran ondas gravitatorias, pero o máis emocionante é agora mesmo. Estamos a abrir una xanela ao universo”.

Refírese á xanela máis importante que se abriu nos últimos anos. “Conceptualmente é una xanela completamente nova —afirma o astrofísico de ESO, Miguel Querejeta—, entre outras cousas porque comprobou que fose do espectro electromagnético é posible investigar a astronomía”.

Por primeira vez conseguiron detectar as ondas gravitatorias no observatorio LIGO (Estados Unidos). As ondas anunciadas por Einstein cen anos antes foron medidas en directo por primeira vez. Non era pouco afirmar a teoría de Einstein, pero ese descubrimento foi moito máis. “Tecnoloxicamente foi un logro enorme —subliña o cosmólogo da UPV-EHU Jon Urrestilla Urizabal— que mide [deformación producida polas ondas gravitatorias nos brazos do interferómetro] 10.000 veces menor que un protón. E cando medimos algo tan pequeno, estamos a medir a danza que realizan dous buracos negros moi afastados ao fusionarse”.

Ese foi o primeiro espectáculo que se viu desde aquela xanela: o choque entre dous buracos negros. “Pensábase que os primeiros que se ían a ver serían estrelas de neutróns. Criamos que había moitas máis estrelas de neutróns que buracos negros, e as catro primeiras deteccións foron as máis negras”, explica Urrestilla. “Ademais, medíronse masas destes buracos negros que non eran típicas. Por tanto, agora temos que pensar por que hai máis buracos negros dos que pensamos e como se crean eses buracos negros”.

Mirando por varias xanelas

O 17 de agosto de 2017 chegou a quenda das estrelas de neutróns. Trátase da quinta vez que se detectaban ondas gravitatorias e detectáronse en LIGO e en VIRGO (Italia), de recente posta en marcha. Ademais, desde outras xanelas púidose observar o choque de estrelas de neutróns. Aos 1,7 segundos da chegada das ondas gravitatorias chegaron os raios gamma, seguidos dos raios X, ultravioletas, ópticos, infravermellos e ondas de radio. “Isto foi impresionante —destaca Urrestilla—, chegando a nós as ondas gravitatorias e electromagnéticas procedentes do mesmo proceso que vimos por primeira vez”.

Esta observación volveu dar a razón a Einstein. E é que hai teorías que propoñen cambiar a teoría de Einstein, teorías f(R), paira tentar explicar a enerxía e a materia escura, entre outras. Moitas destas teorías predín que as ondas gravitatorias e a luz son velocidades diferentes. Segundo Einstein son iguais. Pois aquela observación demostrou que Einstein tiña razón. “Por tanto, esas teorías f(R) non serven; quedou claro que a vía paira entender a materia e a enerxía escura non é esa”, explica Urrestilla.

Doutra banda, “paira entender o que ocorre nun choque de estrelas de neutróns, ademais das teorías de Einstein, é necesaria una física de alta enerxía”, engadiu o cosmólogo. E neste caso tamén se cumpriu o previsto: “Os simulacros dicían que ao producirse un choque entre dúas estrelas de alta densidade, tardaríase un tempo en sacar os raios gamma, e precisamente coa diferenza de tempo prevista chegaron as ondas gravitatorias e os raios gamma. As ondas gravitatorias deron a razón a Einstein e á física de alta enerxía”.

Querejeta coincide plenamente coa importancia desta observación, destacando dous resultados importantes que deu: “Por unha banda, as explosións de raios gamma eran un misterio, non sabiamos que fenómenos físicos producían, especialmente as pequenas explosións de raios gamma. E isto confirma que produce colisións de dúas estrelas de neutróns. Doutra banda, pensabamos que o proceso de síntese de certos elementos pesados (proceso R) producíase en supernodos, pero isto demostrou que a maior parte dáse no choque de estrelas de neutróns”.

As primeiras miradas desde a xanela de ondas gravitatorias deron resultados importantes, pero case todo pode estar por descubrir. Tamén haberá que aprender como mirar desde esta xanela. “Non sabemos que podemos atopar —di Querejeta—, podemos esperar que non sexa esperable”. Así o cre tamén Urrestilla: “seguro que veremos cousas novas que non imaxinamos”.

Mellorando as xanelas existentes

A das ondas gravitatorias non é a única xanela que nos mostrará cousas novas. Por exemplo, a xanela preferida de Querejeta é ALMA: “Desde que empecei en astronomía traballei coas ondas de radio, e nesa sentida ALMA é una xanela única. Agora mesmo estou a traballar cos datos tomados por EUSKALTEL e son datos realmente excelentes”.

ALMA, situada no deserto de Atacama (Chile) a 5.000 metros de altura, é un radiotelescopio de 66 antenas. Empezou en 2011 cunhas poucas antenas, pero fai un par de anos puxeron en marcha toda a gama de antenas. Antes da alma, o maior telescopio que operaba nestas lonxitudes de onda era o NOEMA (Plateau de Bure, Francia), con 7 antenas. “Hai moita diferenza —di Querejeta—, ten moita máis precisión e podemos analizar obxectos moito máis afastados”.

Detecta o gas e o po. Por unha banda, pode detectar galaxias e quasares moi afastados e, por outro, analizar con gran precisión os discos protoplanarios ou as nebulosas nas que nacen as estrelas. “O proceso de nacemento das estrelas é una das preguntas máis importantes sen resposta en astrofísica”, lembra Querejeta. “De aí esperamos resultados importantes. Xa deu algúns, por exemplo, detectou directamente o disco de acrecición que rodea a unha estrela e os planetas que alí se están creando”.

No campo das ondas de radio hai outra xanela moi espectacular. No sueste de China, o verán de 2016 finalizou o radiotelescopio FAST, a antena parabólica máis grande do mundo. Ten un diámetro de 500 m e una altura de 140 m. Paira evitar interferencias, 9.000 habitantes da zona tiveron que irse. Neste caso, con todo, é posible que a propia xanela sexa máis visible que a que se verá desde alí. Así o cre Querejeta: “FAST é superlativo, xa que é máis grande que o monstro de Arecibo [ten 300 m o de Arecibo]. Pode ser de axuda, pero me parece difícil que de aí haxa grandes revolucións. En definitiva, o interferómetro VLA, por exemplo, consegue maior precisión nas mesmas lonxitudes de onda”.

Dunha xanela moito máis pequena e sinxela, o pasado mes de febreiro obtívose un resultado espectacular no proxecto EDGES. Cun radiotelescopio do tamaño dunha mesa de café instalada no deserto australiano conseguiron recibir o sinal das primeiras estrelas. A 180 millóns de anos de Big Bang, sinal cedido polos átomos de hidróxeno, demostrou que as primeiras estrelas creábanse paira esa época e que o universo era moito máis frío do esperado. “É una idea enxeñosa e conseguiron un resultado realmente bonito”, di Querejeta.

Abertas

Outra das xanelas que Querejeta construíu pero que falta por colocar no seu lugar é: “O Telescopio Espacial James Webb (JWST) é o último tesouro da NASA”. Aínda que este ano ía estar en marcha, o lanzamento atrasouse, pero todo está listo. “Seguro que desde o momento do seu lanzamento empezará a realizar interesantes observacións”. Traballa no infravermello cunha gran capacidade de detección. Por unha banda, trátase de analizar o nacemento das estrelas e os planetas, xa que as nebulosas e os discos protoplanarios están cheos de po, e o po ao quentarse emite a maior parte da enerxía nas ondas infravermellas. Doutra banda, a luz visible e ultravioleta emitida por galaxias moi afastadas chéganos no infravermello (por efecto Doppler), o que permitirá ver o universo novo. “Poderanse ver galaxias creadas cando o universo tiña uns mil millóns de anos”, explica Querejeta.

E entre as xanelas en construción hai outras dúas destacadas, segundo Querejeta: “Por unha banda, o interferómetro SKA, capaz de ver o gas atómico, e por outro, o ELT, que traballará en onda visible, catro veces máis grande que o telescopio máis grande deste tipo actual”.

Urrestilla soña con outra xanela que aínda falta moito por construír, LISA. O interferómetro LISA é un proxecto da ESA e a NASA que, do mesmo xeito que LIGO e VIRGO, detectaría ondas gravitatorias pero noutra frecuencia. De feito, do mesmo xeito que nas ondas electromagnéticas temos ultravioleta, visible, infravermello, etc., as ondas gravitatorias tamén son frecuentes. Os interferómetros que temos agora só poden detectar unhas ondas gravitatorias cos seus brazos de tres ou catro quilómetros.

LISA estaría formada por tres naves espaciais discoidales que se colocarían no espazo. Os tres discos, formando un triángulo equilátero, situaríanse a 2,5 millóns de quilómetros entre si, e mediante o envío de raios láser mediríanse esta distancia con gran precisión, detectando o cambio producido polas ondas gravitatorias. É un gran reto tecnolóxico. “É difícil, pero o experimento avanza —explica Urrestilla—, xa a ESA puxo en órbita uno deses discos, LISA Pathfinder, paira probar a tecnoloxía. E dentro de 20-30 anos espérase que LISA estea en órbita”.

Mirando cada vez máis lonxe

LISA detectaría as ondas gravitatorias xeradas na inflación. “Sería una xanela inmensa paira a cosmología porque veriamos como era o universo inicial”, subliña Urrestilla.

Só se pode ver tan lonxe da xanela de ondas gravitatorias. De feito, o universo ao principio estaba libre de todos os electróns e fotóns, chocando constantemente entre si. Nesta situación, os fotóns podían facer un camiño moi curto, polo que non é posible que os fotóns daquela época (ondas electromagnéticas) chegasen a nós. Con todo, cando o universo tiña preto de 300.000 anos, os electróns quedaron atrapados nos átomos, e entón os fotóns saíron rectos. Detectamos os fotóns da época como radiación microondas de fondo. Non podemos ver os fotóns anteriores pero si as ondas gravitatorias.

E entre eles están os neutrinos. Como os fotóns, ao principio os neutrinos tampouco podían escapar, pero chega un momento no que os neutrinos empezan a escapar, e iso é o que ocorre moito antes que os fotóns. “A xanela de neutrinos tamén é moi interesante —di Urrestilla—, da mesma maneira que temos a radiación microondas de fondo, habería un fondo de neutrinos, pero moito antes”.

O problema é que detectar neutrinos é moi difícil porque apenas teñen interacción coa materia. “Esa é a vantaxe e a desvantaxe dos neutrinos”, detalla Urrestilla. A vantaxe é que poden saír directamente da fonte e viaxar durante millóns de anos de luz sen desviarse, e a desvantaxe é que tampouco interactúan cos nosos aparellos e por tanto son moi difíciles de detectar.

Con todo, aínda que de cando en cando, ás veces os neutrinos chocan con algún átomo. E diso aprovéitanse os vaqueiros neutrinos, como o Observatorio IceCube no Polo sur. IceCube é una rede mergullada en xeo, composta por 5.000 sensores de luz e una superficie dun quilómetro cadrado. Estes sensores detectan a luz que se emite ao chocar un neutrino cun átomo de xeo. Detecta moi poucos neutrinos, pero o pasado mes de xullo déronse a coñecer algunhas observacións importantes: Algúns neutrinos de gran enerxía chegados a IceCube lograron saber que procedían dunha galaxia situada a 3.700 millóns de anos-luz. Parece que se empezou a abrir una nova xanela con neutrinos.