Ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo, comparables a las ondas que se propagan en la superficie de un lago cuando se arroja una piedra en él, pero que se mueven a la velocidad de la luz, y tienen su origen en fenómenos astrofísicos violentos, que involucran cuerpos muy masivos tales como una explosión de supernova o la fusión de agujeros negros.

La existencia de estas ondas fue predicha por Albert Einstein en 1916. Según la Teoría de la relatividad general, la presencia de masa da origen a una deformación en el espacio tiempo que será tanto mayor cuanto más masivo sea el cuerpo. Una explosión de supernova o una colisión entre agujeros negros masivos en algún punto del universo implica el desplazamiento acelerado de grandes cantidades de materia. Así, la deformación en el espacio tiempo generada por estos cuerpos se desplaza, y esto da origen a una onda gravitacional que viaja a la velocidad de la luz. En las explosiones de supernovas, o en la fusión de dos agujeros negros, se libera una enorme cantidad de energía, equivalente a billones y billones de bombas atómicas. Pero estos acontecimientos son muy poco frecuentes y ocurren, en general (y felizmente), a millones de años luz de la Tierra, de modo que sus efectos cuando alcanzan el sistema solar son tan débiles que son muy difíciles de detectar.

Te acercamos el video publicado por la revista Scientific American: Mira como las ondas gravitacionales danzan a través del universo [[1]] preparado por David Reitze, uno de los científicos que participan del proyecto LIGO. El video nos lleva a un viaje de 1300 millones de años de duración, el tiempo que demoraron las ondas gravitacionales que surgieron como consecuencia de la violenta fusión de dos agujeros negros, en ser detectadas por LIGO cuando pasaron por la Tierra en septiembre de 2015. En el video se puede ver como funciona el detector situado en cada estación.

Hasta ahora sólo conocemos una fracción muy pequeña del cosmos, apenas el 5%. Esta información nos llega a través de las ondas electromagnéticas que alcanzan la Tierra, con longitudes de onda que varían desde las más cortas y por ende más energéticas, como es el caso de los rayos gamma y X, pasando por el espectro visible y la radiación infrarroja, hasta las de longitud de onda más largas como las ondas de radio.

Las ondas gravitacionales abren un nuevo camino para aumentar nuestro conocimiento del universo, ya que pueden penetrar regiones del espacio inaccesibles a las ondas electromagnéticas, trayendo información adicional sobre lugares del cosmos donde no se sabia qué fenómenos ocurrían. Conociendo la intensidad y la frecuencia de estas ondas se podría reconstruir lo que sucedió en el punto donde se originaron.

La figura (fuente: Caltech/MIT/LIGO Lab) muestra un mapa del cielo del hemisferio sur con la localizacion aproximada de la fuente de las primeras ondas gravitacionales detectadas por LIGO. Las lineas indican las diferentes probabilidades para la localización del origen de la señal. La linea purpura define el sector desde el cual se predijo la salida de la señal, con un 90% de confiabilidad. Por debajo se puede ver una pequeña galaxia cercana a la nuestra, la Gran nube de Magallanes, y más abajo aún la denominada Pequeña nube de Magallanes.

Hasta ahora había sólo pruebas indirectas de la existencia de las ondas gravitacionales predichas por la Relatividad General. En 1978, Rusell Hulse y Joseph Taylor demostraron que un púlsar binario, que se compone de dos estrellas orbitando juntas, siendo una de ellas un púlsar (un pulsar es una estrella rotante de neutrones que emite un haz de radiación electromagnética), mostraba un decaimiento ligero en su órbita. Este decaimiento se ajustaba perfectamente a la predicción de Einstein de pérdida de energía por radiación gravitacional, es decir a la liberación de energía en forma de ondas gravitacionales. Ambos ganaron el premio Nobel de Física en 1993. En 2003 se confirmó que lo mismo sucede con otra pareja estelar, en este caso de dos púlsares.

Izquierda: Comparación de los datos tomados por las dos estaciones del experimento LIGO. Coinciden entre sí y con la predicción teórica

Derecha: De izquierda a derecha: La argentina Gabriela Gonzalez, Rainer Weiss y Kip Thorne, miembros del proyecto LIGO, durante el anuncio del descubrimiento.

Fuente de las imágenes: [[2]]

El Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (Laser Interferometer Gravitational- Wave Observatory -LIGO- por sus siglas en inglés) anunció el 11 de febrero de 2016 que había detectado ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros, cada uno con una masa equivalente a 30 masas solares, ocurrida hace 1.300 millones de años (y por ende a una distancia de 1300 millones de años luz). La señal fue detectada el 14 de Septiembre de 2015, a las 9.51 UTC (coordenada universal de tiempo). Esta sería la primera vez en que se captan ondas gravitacionales, a un siglo de la predicción de Einstein sobre su existencia. La argentina Gabriela Gonzalez, Dra. en física, quien trabaja en el proyecto y es vocera del mismo, fue la encargada de hacer el anuncio.

La génesis de las ideas sobre la mejor manera de detectar ondas gravitacionales, y que dieron origen a la construcción de detectores como los del proyecto LIGO, se deben a Rainer Weis de MIT (Instituto tecnológico de Massachusetts) y a Kip Thorpe de Caltech (Instituto tecnológico de California). (En la fotografía). Otro pionero en el proyecto es Ronald Drever (fue Prof. emérito en Caltech, actualmente retirado vive en Escocia), con un papel fundamental en el desarrollo del extremadamente sensible detector interferométrico de ondas gravitatorias.

LIGO consiste de un gran instrumento óptico de precisión desarrollado por los institutos tecnológicos de California (Caltech) y Massachusetts, (MIT) y de la Colaboración Científica LIGO, en la que participan alrededor de 900 investigadores de 15 países.

Cada instalación consta de un sistema de ultravacío con forma de L, que alberga un detector Láser. Cada brazo de esa L tiene cuatro kilómetros. ( A la izquierda imagen de la estación en Livingston, Luisina). Los dos detectores se encuentran separados una distancia de 3000 km, uno en Livingston y otro en Hanford, Washington. Dado que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz el tiempo transcurrido entre las dos detecciones es de 10 milisegundos. Este observatorio comenzó a funcionar en el 2002, pero fue recientemente mejorado contando con un alcance mayor a 1000 millones de años luz de la Tierra, siendo capaz de detectar variaciones en la longitud de los brazos del interferómetro (4 km) equivalentes a la diezmilésima parte del tamaño de un núcleo atómico.

Los impulsores del proyecto LIGO: Los físicos Rainer Weiss (izquierda), Barry C. Barish (centro) y Kip S. Thorne (derecha), recibieron el premio Nobel de Física en octubre de 2017.