Se trata de las ondas gravitacionales, ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo que ocurren cuando dos objetos hipermasivos, como los agujeros negros, chocan violentamente.

Una reciente investigación de los observatorios LIGO, en Estados Unidos; Virgo, en Italia, y KAGRA en Japón, en la que participaron cientos de científicos, afirma haber detectado el mayor número de ondas gravitacionales hasta la fecha.

Este hallazgo puede ayudar a resolver algunos de los enigmas más complejos del universo, incluyendo los componentes fundamentales de la materia y el funcionamiento del espacio y el tiempo.

“Esta es realmente una nueva era para la detección de ondas gravitacionales”, dijo en un comunicado Susan Scott, investigadora del Centro de Astrofísica Gravitacional de la Universidad Nacional de Australia y una de las autoras del estudio.

“Este es un gran avance en nuestra búsqueda para descubrir los secretos de la evolución del universo“, dijo la experta.

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La publicación con los resultados de las observaciones aún está bajo revisión, pero con este anuncio, el “futuro de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA es muy prometedor“, según le dijo a BBC Mundo Eduard Larrañaga, físico teórico y profesor del Observatorio Nacional de Colombia, quien no estuvo involucrado en la investigación.

Un tsunami de ondas gravitacionales

El trabajo colaborativo de LIGO- Virgo-KAGRA detectó 35 nuevas ondas gravitacionales entre noviembre de 2019 y marzo de 2020.

Esta cantidad es más de 10 veces el número de ondas gravitacionales que LIGO Virgo habían detectado en su primera ronda de observaciones, que ocurrió durante cuatro meses entre 2015 y 2016

Es “un tsunami” dice Scott.

De las 35 ondas detectadas, 32 son el resultado de choques entre pares de agujeros negros que se fusionan, y tres corresponden a colisiones entre estrellas de neutrones y agujeros negros.

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Estos choques monumentales ocurrieron en su mayoría a miles de millones de años luz, generando ondas a través del espacio-tiempo.

Con este hallazgo, ya son 90 ondas gravitacionales que se han detectado entre 2015 y 2020.

Qué son las ondas gravitacionales

Cuando los objetos cósmicos se mueven o colisionan, generan una ondulación en el tejido del espacio-tiempo, que se extiende como una onda lo hace a través del agua de un estanque. A ese fenómeno se le llama onda gravitacional.

Las ondas gravitacionales estiran el espacio-tiempo en un sentido y lo comprimen en el otro.

Albert Einstein predijo teóricamente la existencia de las ondas gravitacionales, como parte de su teoría de la relatividad general en 1916.

Einstein calculó que al llegar a la Tierra esas ondas serían tan débiles que nunca podrían ser detectadas.

En 2015, sin embargo, se logró la primera detección de una onda gravitacional.

Las ondas gravitacionales permiten tener una visión más amplia del universo, porque no limita las observaciones a los objetos que emiten luz o desprenden partículas, sino que permiten detectar objetos a partir de la perturbación que generan en el espacio-tiempo.

Diversidad

Este nuevo catálogo de ondas gravitacionales es clave para entender la naturaleza de los agujeros negros y la evolución de las estrellas.

“Solo ahora estamos empezando a apreciar la maravillosa diversidad de agujeros negros y estrellas de neutrones”, dijo en un comunicado Christopher Berry, astrónomo del Instituto de Investigaciones Gravitacionales de la Universidad de Glasgow.

Las observaciones, por ejemplo, mostraron que las ondas gravitacionales eran el resultado de la fusión de agueros negros que juntos lograban una masa más de cien veces mayor que la del Sol, mientras que otros no llegaban a ser 20 veces mayor.

Scott, por su parte, sostiene que observar la masa y el giro de los pares de agujeros negros que se fusionan, permite ver cómo surgen estos sistemas binarios.

Sensbilidad

El récord de LIGO-Virgo-KAGRA fue posible gracias al avance en la ciencia y la tecnología en la detección de ondas gravitacionales.

Los detectores de ondas gravitacionales funcionan mediante láseres de alta potencia que miden con alta precisión el tiempo que le toma a la luz viajar entre dos brazos ubicados en forma de L.

Cuando una onda gravitacional llega a la Tierra, comprime el espacio-tiempo en una dirección y lo estira en el otro, lo cual hace que se perturbe el recorrido de los láseres.

Los detectores como LIGO (Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales) son capaces de detectar estas perturbaciones que ocurren a escalas subatómicas.

Desde 2015, estos instrumentos se han ido volviendo más sensibles, lo que permite detectar más ondas.

Según Scott, el aumento de la sensibilidad de los detectores con el tiempo permitirá identificar nuevas fuentes de ondas gravitacionales, algunas de las cuales serán inesperadas.

Una de esas fuentes podría ser, por ejemplo, la radiación gravitacional generada por el propio Big Bang. 

Así fue la onda gravitacional que surgió tras la fusión dos agujeros negros, la más potente jamás observada.

La señal dejada por este evento viajó unos 7.000 millones de años para llegar a la Tierra, pero todavía fue lo suficientemente potente como para hacer que detectores láser en EE.UU. e Italia la sintieran en mayo del año pasado.

Según investigadores, la colisión de estos agujeros negros produjo una entidad con una masa 142 veces mayor que la de nuestro Sol.

Su magnitud es considerable. La ciencia ha rastreado durante mucho tiempo la presencia de agujeros negros en el cielo que han sido un poco más pequeños o incluso más grandes. Pero este nuevo hallazgo estrena una nueva clase de agujeros negros de tamaño intermedio que están en el rango de entre 100 y 1.000 masas solares.

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Se trata de un análisis realizado por LIGO, de EE.UU., y Virgo, de Italia, una colaboración internacional que opera tres sistemas de detección de ondas gravitacionales súper sensibles en Estados Unidos y Europa.

¿Qué es un agujero negro?

• Un agujero negro es una región en el espacio donde la materia ha colapsado sobre sí misma debido a la gravedad.
• La fuerza gravitacional es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar.
• Los agujeros negros emergen del colapso gravitacional de una estrella grande.
• Algunos son verdaderamente gigantes, miles de millones de veces más grandes que el Sol.
• Se desconoce cómo se formaron estos cuerpos, encontrados en los centros de las galaxias.
• Los agujeros negros son detectados por el impacto que tienen en su entorno
• Producen ondas gravitacionales observables a medida que se juntan en espiral.

Los interferómetros láser de LIGO y Virgo “escuchan” las vibraciones del espacio-tiempo que son generadas por eventos cósmicos verdaderamente cataclísmicos, y el 21 de mayo de 2019 se activaron por una señal aguda que duró solo una décima de segundo.

Los algoritmos informáticos determinaron que la fuente de la señal fueron los momentos finales de dos agujeros negros que estaban en espiral, uno con una masa 66 veces mayor que la del Sol y el otro 85 más grande.

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La distancia de esta fusión fue estimada en el equivalente a 150.000 millones de billones de kilómetros.

“Es increíble, de verdad”, dijo el profesor Nelson Christensen, del Observatorio de Côte d’Azur, en Francia.

“Esta señal se propagó durante siete mil millones de años. Así que este evento ocurrió justo a mitad de la creación del Universo, y es ahora que movió mecánicamente nuestros detectores aquí en la Tierra”, le explicó a la BBC.

Ondas gravitacionales – Ondas en el espacio-tiempo

• Las ondas gravitacionales son una predicción de la teoría de la relatividad general.
• Pasaron décadas para que se pudiera desarrollar la tecnología para poder detectarlas directamente.
• Son ondas en el espacio-tiempo generadas por eventos violentos.
• La aceleración de masas produce ondas que se propagan a la velocidad de la luz
• Las fuentes que pueden ser detectadas incluyen la fusión de agujeros negros y las estrellas de neutrones
• LIGO-Virgo dispara láseres por medio de largos túneles en forma de L, y las ondas alteran la luz
• La detección de ondas abre paso a investigaciones completamente nuevas en el Universo

La implicación de un cuerpo que mide 85 masas solares en la colisión ha hecho que los científicos mantengan la guardia porque la comprensión que tienen de cómo se forman los agujeros negros a partir de la muerte de una estrella no explica que algo de esta escala pueda suceder.

Al agotar su combustible nuclear, las estrellas experimentan un colapso del núcleo que da paso a la creación de un agujero negro, pero solo si son lo suficientemente grandes.

Pero la física que se supone que opera dentro de las estrellas sugiere que la producción de agujeros negros con el rango de masa de entre 65 y 120 masas solares es imposible.

Las estrellas moribundas que podrían producir tales entidades en realidad se desgarran y no dejan nada atrás.

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Si la ciencia es correcta en este punto, entonces la explicación más probable de la existencia de un objeto de 85 masas solares es que sea el resultado de una unión de agujeros negros incluso anterior.

Y esto, según el profesor Martin Hendry, de la Universidad de Glasgow, en Reino Unido, tiene implicaciones sobre la evolución del Universo.

“Estamos hablando aquí de una jerarquía de fusiones, una posible vía para hacer agujeros negros cada vez más grandes”, explicó.

“Entonces, ¿quién sabe? Este agujero negro de 142 masas solares puede haberse fusionado con otros agujeros negros gigantescos, como parte de un proceso de acumulación que llega a formar agujeros negros supermasivos que se cree que están en el corazón de las galaxias”.

La colaboración entre LIGO y Virgo reportó sobre el evento del 21 de mayo de 2019 (catalogado como GW190521) en dos artículos académicos.

Uno está en la revista Physical Review Letters y describe el hallazgo. El segundo se puede encontrar en The Astrophysical Journal Letters y analiza las propiedades físicas de la señal y las implicaciones científicas.

El GW190521 es uno de los más de 50 activadores de ondas gravitacionales que se están investigando actualmente en los laboratorios de láser.

El ritmo de la investigación ha aumentado rápidamente desde que la colaboración detectó las primeras ondas gravitacionales, que les hizo ganar un Premio Nobel en 2015.

“Estamos aumentando la sensibilidad de los detectores y, sí, podríamos terminar detectando más de uno (agujero negro) cada día. ¡Vamos a tener una lluvia de agujeros negros!”, le dijo a la BBC la profesora Alessandra Buonanno, directora del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam (Alemania).

“Esto es hermoso porque aprenderemos mucho más sobre ellos”.

• Un láser es conectado a la máquina y su rayo se divide en dos viajando por dos vías diferentes
• Estas vías rebotan hacia adelante y hacia atrás y se amortiguan entre espejos
• Finalmente, las dos luces se reúnen y son enviadas a un detector
• Las ondas gravitacionales que atraviesan el laboratorio deben alterar la configuración
• La teoría sostiene que deberían estirar y comprimir muy sutilmente su espacio
• Esto debería mostrarse como un cambio en la longitud de los brazos de almacenamiento ligero
• El fotodetector captura la señal en el haz recombinado

En 1915 Albert Einstein afirmó que algunos de los procesos más destructivos que ocurren en el universo provocan ondas gravitacionales.

Se trata de ondulaciones en lo que vulgarmente se entiende por espacio, pero que para la física es el espacio-tiempo.

El 14 de septiembre de 2015 por primera vez un equipo de científicos pudo observar de forma directa lo que Einstein predijo matemáticamente 100 años antes.

Ese día la humanidad descubrió una nueva forma de ver el universo.

Investigación, guion y presentación: Ana Pais – Edición de video: Enric Botella – Editora: Natalia Pianzola

Fuentes consultadas: LIGO, NASA, premios Nobel, “The Sky at Night” (BBC)

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El 17 de agosto, los detectores de los dos observatorios LIGO en Estados Unidos y del instrumento europeo VIRGO -en Italia- registraron durante alrededor de cien segundos diminutas ondas en el espacio-tiempo. Casi al mismo tiempo se produjo un estallido de rayos gamma, que fue seguido por 70 telescopios internacionales.

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“Es realmente emocionante vivir un acontecimiento así, que cambia nuestra comprensión sobre cómo funciona el Universo”, dijo France Córdova, directora de la estadounidense National Science Foundation (NSF). Ésta financia los observatorios LIGO DE Hanford (Washington) y Livingston (Louisiana), gestionados por el Massachusetts Institute of Technology (MIT) y el California Institute of Technology (Caltech) en Pasadena.

Así, 10 horas después de la detección de las ondas gravitacionales, astrónomos de Chile descubrieron un nuevo punto de luz cerca de una galaxia en la constelación Hydra.

Precisamente el Nobel de Física de este año fue para los estadounidenses Reiner Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne por la confirmación directa de la existencia de las ondas gravitacionales predichas por Albert Einstein hace un siglo. Hasta ahora, en las cuatro ocasiones en que se habían detectado las ondas gravitacionales la causa había sido la fusión de agujeros negros.

“Esta primera detección de ondas gravitacionales a partir de la fusión de estrellas de neutrones es por sí sola extremadamente emocionante”, señalan Karsten Danzmann, Bruce Allen y Alessandra Buonanno, del Instituto Max Planck de física gravitacional en Hanóver y Postsdam. “Pero la combinación con decenas de posteriores observaciones en el espectro electromagnético lo convierte en verdaderamente revolucionario”.

•  ¿Qué es en sí una onda gravitacional? 

Es una ínfima ondulación del espacio-tiempo que se propaga en el Universo a la velocidad de la luz.

Estas ondas fueron presentadas conceptualmente hace cien años por Albert Einstein como una consecuencia de su teoría de la relatividad general de 1915.

Las mismas resultan de ligeras perturbaciones de la trama espacio-tiempo, bajo el efecto del desplazamiento de un objeto masivo, como el efecto de un peso que deforma el interior de una red.

Para ilustrar estas oscilaciones, se emplea a menudo la imagen de las ondas que se propagan en la superficie de un lago cuando se arroja una piedra. Cuanto más lejos, la onda se debilita.

• ¿Qué permiten detectar? 

Con los detectores estadounidenses LIGO y europeo Virgo, los astrofísicos disponen de un nuevo instrumento para observar los fenómenos violentos del Universo. “Es como ver con nuevas gafas”, declaró a la AFP el físico Thibault Damour, del Instituto de Altos Estudios Científicos de Francia.

Las ondas gravitacionales que buscan estos detectores son las producidas por fenómenos muy violentos, como la fusión de dos agujeros negros o de estrellas de neutrones.

El resto de ondas son demasiado ligeras para observarlas, aunque se produzcan de forma permanente.

• ¿Qué enseñan?

Gracias a ellas, por ejemplo, “hemos aprendido que la fusión de agujeros negros es mucho más frecuente de lo que creíamos”, declaró Patrick Sutton, de la universidad de Cardiff, en Reino Unido.

En el futuro, “podríamos ver objetos totalmente nuevos, que ni imaginamos”, añade.

Esta nueva astronomía es a la vez una “ventana hacia el pasado”, considera Jon Butterworth, profesor de Física del University College de Londres. “No nos permitirá remontar hasta el Big Bang”, pero podría “llevarnos muy cerca” del nacimiento del Universo.

Göran K. Hansson, Secretario General de la Real Academia de las Ciencias de Suecia, anunció a los ganadores, que fueron premiados por la detección de las ondas gravitacionales que habían sido anticipadas por Albert Einstein y que son una consecuencia fundamental de su Teoría General de la Relatividad.

Es un “descubrimiento que sacudió al mundo”, señaló Hansson.

Los científicos son miembros de los observatorios Ligo-Virgo, responsables del descubrimiento.

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La mitad del dinero que acompaña al premio le corresponde a Weiss, mientras que Barish y Thorne compartirán la otra mitad.

La suma total es de 9 millones de coronas suecas (US$1.1 millones).

Los ganadores se suman así a una lista de otros 204 físicos honrados con el galardón desde 1901.

“Ventana al Universo”

Las ondas gravitacionales describen la distorsión en el espacio-tiempo que se produce cuando se aceleran objetos masivos.

La deformación del espacio que resulta de la fusión de dos agujeros negros fue detectada por primera vez por un laboratorio estadounidense en 2015. Fue la culminación de una búsqueda de varias décadas.

• Por qué es tan importante que se haya comprobado la predicción de Albert Einstein sobre las ondas gravitacionales

Desde entonces se han detectado otros tres ejemplos.

“La primera observación de una onda gravitacional fue un hito, una ventana al Universo”, señaló Olga Botner, de la Real Academia de Ciencias de Suecia, afirmó durante la conferencia.

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La contribución del trío

Los laboratorios Ligo (en EE. UU.) y Virgo (en Europa) fueron construidos para detectar las sutiles señales que producen las ondas gravitacionales.

Pese a que son generadas por fenómenos colosales, como la fusión de dos agujeros negros, Einstein mismo pensaba que el efecto sería demasiado pequeño como para ser registrado por la tecnología.

Ondas gravitacionales

• Son una predicción de la Teoría General de la Relatividad

• Tomó décadas detectarlas directamente

• Son ondas en la fábrica del espacio-tiempo generadas por eventos violentos

• Las masas que se aceleran producen ondas que se propagan a la velocidad de la luz

• Fuentes detectables tienen que incluir la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones

• Su detección abre la posibilidad de investigaciones completamente nuevas

Sin embargo, los tres laureados lideraron el desarrollo de un sistema en base a rayos láser con suficiente sensibilidad como para detectarlas.

El resultado fue Ligo, un par de instalaciones separadas en dos sitios de EE. UU.: un observatorio en el estado de Washington y otro en Livingston, Luisiana.

La instalación europea está en Pisa, Italia.

Weiss, uno de los ganadores, dijo que el descubrimiento había sido el trabajo de cerca de mil personas.

Pero la contribución del trío fue fundamental.

Weiss estableció la estrategia necesaria para hacer la detección.

Thorne hizo gran parte del trabajo teórico detrás de la búsqueda.

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Y a Barish, quien asumió como segundo director de Ligo en 1994, se le atribuyen las reformas organizativas y la elección de las tecnologías que resultaron cruciales para el éxito de la misión.

La nueva detección de ondas gravitacionales, producto de otra fusión de dos agujeros negros ocurrida hace unos mil 400 millones de años, abre “una ventana a observar fenómenos que hasta ahora no habíamos podido”, aseguró el miércoles la investigadora española Alicia Sintes.

Sintes expresó su “alegría”  por la nueva detección de este sistema binario y agregó: “Esperamos en un futuro poder observar nuevas fusiones de agujeros negros y nuevas cosas”.

El equipo científico internacional LIGO, que anunció en febrero la observación por primera vez de las ondas gravitacionales que apuntó Albert Einstein en su Teoría de la Relatividad, informó el miércoles de la nueva detección.

Un trabajo en el que participa el grupo de Gravitación y Relatividad de la Universidad de las Islas Baleares, España, al que pertenece Sintes.

La nueva señal llegó a los detectores LIGO, ubicados en EE. UU., el 26 de diciembre del 2015, por lo que se denomina GW151226, y es la segunda confirmada de “una binaria”, que junto a la detectada el pasado 14 de octubre  (GW150914) marcan “el inicio de la astronomía de ondas gravitacionales”.

Hasta los años 70 se cuestionaba si era “un tema matemático de la Teoría (de Einstein) o un fenómeno físico”.

Apuntó también que los sistemas binarios “son extremadamente agradecidos” porque con ellos se pueden “hacer pruebas de la propia Teoría de Relatividad general y se puede intentar inferir parámetros cosmológicos”.

“Si vamos aumentando este número de detecciones puedes tener incluso información de cómo ha sido la expansión acelerada del universo (…), las ondas también pueden prometer mucho para obtener información del universo primitivo, de cuando éste aún no tenía ni un segundo de vida”, explicó Sintes.

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Sin embargo, los instrumentos de detección todavía no son lo suficientemente sensibles para llegar a obtener esta información y quizá haya que esperar otros 20 años para saber qué ocurrió exactamente cuando “el universo era tan jovencito”.

“Si ocurrieron cosas más exóticas se podrían detectar o refutar”, señaló Sintes.

“El ser humano siempre ha sido curioso, saber de dónde viene, sus orígenes, eso es lo que nos impulsa a investigar, a hacer ciencia, que luego se transfiere a la sociedad, como la tecnología, por ejemplo el GPS, que lo uso para orientarme”, agregó.

La investigadora explicó que en esta segunda detección de las ondas, la fusión de los dos agujeros negros produjo el equivalente a 21 masas solares.

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Y dejó la irradiación de otra que llegó a la Tierra en forma de ondas gravitacionales, detectadas a 70 segundos de su arribo al planeta, y cuya señal, aunque más débil, ha sido más larga que la primera, un segundo frente a los 0.2 de la anterior.

Si bien la detección se produjo en diciembre, el proceso de identificación con la técnica de “filtrado adaptado” ha tardado unos meses, tiempo el que se realizan todos los análisis para comprobar que se trata de ondas gravitacionales.

En concreto, se trata de distorsiones del espacio tiempo que provoca que los dos objetos orbiten en forma de espiral uno alrededor del otro.

    Científicos del Instituto de Tecnología de California  (Caltech) , el MIT y el LIGO  (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) , que trabajan desde hace 15 años en la detección de estas ondas, participarán en la rueda de prensa. Simultáneamente, tendrán lugar conferencias de prensa en el Centro Nacional para la Investigación Científica  (CNRS) en París y en Londres.

    El anuncio de esta presentación el jueves alimenta los rumores que circulan desde hace varias semanas en la comunidad científica, según los cuales los equipos del LIGO lograron detectar estas ondas por primera vez.

    Las ondas gravitacionales son producidas por ligeras perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo debido al efecto del desplazamiento de un objeto de gran masa, como agujeros negros o estrellas de neutrones.

    Según estos rumores, fue gracias a la observación de la colisión y fusión de dos agujeros negros que se hizo tal descubrimiento.

    La versión en línea de la revista científica estadounidense Science citó a Clifford Burgess  (un físico de la Universidad McMaster en Hamilton, Canadá, y también miembro del Instituto Perimeter de Física Teórica) , según quien el rumor es verosímil aunque no ha tenido acceso a los documentos de LIGO.

    La posibilidad de observar las ondas gravitacionales, que son muy tenues a una escala microscópica, abriría una nueva ventana hacia fenómenos astronómicos que aún son un misterio: el colapso gravitacional de estrellas masivas, la fusión de dos estrellas de neutrones y fenómenos asociados a los agujeros negros, que a menudo se hallan en el centro de las galaxias.

    “La gravedad es la principal fuerza del Universo”  y sus efectos sobre el espacio-tiempo produce ondas gravitacionales que se propagan por todo el cosmos“, explicó a la AFP Tuck Stebbins, jefe del laboratorio de Astrofísica Gravitacional de la Nasa.
    

Período revolucionario

” Si se pueden detectar estas ondas, entonces sería posible remontarnos al primer milisegundo del Big Bang“, estimó Stebbins, al considerar que ” la humanidad no tiene otra manera de ver el origen del Universo“.

    Según este astrofísico, ” ahora estamos en el umbral de un período revolucionario en nuestra comprensión del Universo“, porque la capacidad de detectar estas ondas permitiría acceder a una nueva dimensión de observación que actualmente se limita a la detección de la luz emitida por los diferentes cuerpos celestes.

    Catherine Nary Man, una de las responsables del Observatorio de C te dAzur, en Francia, explica que la detección de estas ondas puede resolver el misterio de los rayos gamma, que son una de las explosiones más poderosas del Universo y cuyo origen aún es un misterio.

    ” Ahora ya no se observa el Universo con telescopios ultravioleta o de luz visible, sino que se escuchan los sonidos producidos por los efectos de la gravitación de los cuerpos celestes sobre el tejido del espacio-tiempo, y que pueden venir del corazón de las estrellas o de agujeros negros“, dijo a la AFP.

    ” Y como la estrella o el agujero negro no detienen estas ondas que se desplazan a la velocidad de la luz, ellas llegan a nosotros y podremos entonces crear modelos para distinguirlas y detectarlas”, predijo.

    El descubrimiento en 1974 de un púlsar y de una estrella de neutrones fue una prueba indirecta de la existencia de las ondas gravitacionales. El hallazgo le valió a Russel Hulse y Joseph Taylor el premio Nobel de física en 1993.

    El equipo de científicos del LIGO trabaja en estrecha colaboración con el del detector franco-italiano Virgo, ubicado cerca de Pisa, en Italia.

Tras lo pasos de Einstein

Qué son las ondas gravitacionales