Detectadas por primera vez ondas gravitacionales

Texto obtenido de la sección de Ciencia de El Pais.

La última gran predicción de Albert Einstein sobre el universo se acaba de confirmar un siglo después: las ondas gravitacionales existen y un experimento en EE UU las ha detectado por primera vez.

Según la Teoría General de la Relatividad hay objetos que convierten parte de su masa en energía y la desprenden en forma de ondas que viajan a la velocidad de la luz y deforman a su paso el espacio y el tiempo. La fuente de ondas gravitacionales por antonomasia es la fusión de dos agujeros negros supermasivos, uno de los eventos más violentos que han existido después del Big Bang. El genio alemán las predijo en 1916 pero también advirtió de que, si realmente hay fusiones de este tipo, suceden tan lejos que sus vibraciones serían indetectables desde la Tierra.

Los responsables del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), en EE UU, han anunciado hoy que han captado las ondas producidas por el choque de dos agujeros negros, la primera detección directa que confirma la teoría de Einstein.

El anuncio se ha hecho en una conferencia de prensa celebrada en Washington y retransmitida por Internet. Los resultados científicos han sido aceptados para su publicación en Physical Review Letters, según ha informado en una nota en Instituto Tecnológico de California (Caltech).

 

"Señoras y señores, hemos detectado las ondas gravitacionales. Lo hemos conseguido", ha exclamado el director ejecutivo del LIGO, David Reitze. "Hemos tardado meses en ver que realmente eran las ondas gravitacionales, pero lo que es verdaderamente emocionante es lo que viene después, abrimos una nueva ventana al Universo", añadió.
“Es un descubrimiento histórico, que abre una nueva era en la comprensión del cosmos
La primera señal se captó el 14 de septiembre en los dos detectores idénticos de este experimento, situados uno a 3.000 kilómetros del otro. La señal venía de una fusión que sucedió hace 1.300 millones de años y consistió en el violento abrazo de dos agujeros negros cuya masa es entre 29 y 36 veces mayor a la del Sol. Los dos agujeros se fundieron en uno liberando una energía equivalente a tres masas solares, que salió despedida en forma de ondas gravitacionales en una fracción de segundo. Y todo este proceso de masa transformándose en energía en fracciones de segundo lo describe a la perfección la ecuación más famosa del mundo E=mc2 [La energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado].


El hallazgo abre un nuevo camino en astronomía. Hasta el momento esta se ha centrado en la luz en todas sus variantes conocidas, pero estas ondas son comparables al sonido y permiten estudiar objetos que eran totalmente invisibles hasta ahora, especialmente los agujeros negros.
Nuestros oídos empiezan a escuchar “la sinfonía del universo”, en palabras de Alicia Sintes, física de la Universitat de les Iles Balears (UIB) y líder del único grupo español que ha participado en el hallazgo. “Es un descubrimiento histórico, que abre una nueva era en la comprensión del cosmos”, ha resaltado.

Este hallazgo abre ahora la posibilidad de usar estas ondas para estudiar el universo de una forma totalmente nueva
Su equipo ha realizado simulaciones con superordenadores que reproducen, según la ley de la relatividad, todos los fenómenos que podrían producir estas ondas: parejas de estrellas de neutrones, supernovas, agujeros negros... Esas simulaciones se han comparado con la frecuencia de la señal real que capta el LIGO y así se sabe qué ha pasado exactamente, cuál es la fuente de las ondas, cómo está de lejos, etc.
“Es parecido a esas aplicaciones que escuchan una canción en un bar y te dicen el artista y el nombre del tema aunque haya mucho ruido alrededor”, explica Sascha Husa, investigador de la UIB y desarrollador de las simulaciones. “Aparte del Big Bang, las fusiones de agujeros negros son los sucesos más luminosos del universo”, asegura.
Confirmar a Einstein no es lo más importante. Este hallazgo abre ahora la posibilidad de usar estas ondas para estudiar el universo de una forma totalmente nueva. Las ondas gravitacionales permitirán estudiar “cómo se forman los agujeros negros, cuántos hay y también conocer en más detalle el ciclo vital de las estrellas y del universo”, resalta Husa. Más aún, este tipo de señales mostrarán si estos violentísimos sucesos ocurren tal y como predice la teoría de la relatividad de Einstein o si debemos buscar otra nueva para entenderlos.
Detector LIGO
Los objetos que producen ondas gravitacionales están a millones de años luz, tan lejos de la Tierra que al llegar a nuestro planeta son ínfimas ondulaciones del espacio y el tiempo. Para captarlas ha sido necesario construir el LIGO avanzado, liderado por los institutos tecnológicos de California y Massachusetts, Caltech y MIT, y en el que participa una colaboración de unos 1.000 científicos de 15 países.
El LIGO es el instrumento óptico de precisión más grande del mundo, con dos detectores separados por 3.000 kilómetros, uno en Luisiana y el otro en el Estado de Washington, en el noroeste de EE UU. Ambos están compuestos por dos haces de luz láser cuya longitud exacta de cuatro kilómetros sería modificada al paso por una onda gravitacional. El instrumento es capaz de detectar una variación equivalente a la diezmilésima parte del diámetro de un núcleo atómico, la medida más precisa hecha nunca por un instrumento científico, según sus responsables.La construcción de este experimento fue propuesta por primera vez en 1980 por Kip Thorne y Ronald Drever, de Caltech, y Rainer Weiss, profesor de física en el MIT. Es muy probable que este descubrimiento les suponga un premio Nobel próximamente.
A partir de ahora habrá que confirmar esta primera detección de LIGO y captar señales de eventos diferentes. En ello están muchos equipos científicos alrededor del mundo. Aparte de LIGO, este año comenzará a funcionar una versión mejorada de otro gran observatorio de ondas gravitatorias en Europa, VIRGO. Además se acaba de lanzar LISA Pathfinder, una misión de demostración para un futuro observatorio espacial de este tipo de fenómenos.

¿Espacio-Tiempo curvo? ¿Qué significa esto? AstroFácil te lo cuenta

En AstroFácil queremos que entiendas las cosas de verdad, aunque no sea en profundidad. Más vale tener una ligera idea pero que esta sea correcta a conocer muchas frases y fórmulas y no imaginar realmente nada.

¿Qué significa que el Espacio-Tiempo es curvo?

¿Qué significa que se deforma el espacio-tiempo?

Seguro que en tu mente tienes clarísimo lo que es una línea recta. Piensa en una línea recta. Pues bien, ese concepto que tienes en tu mente debes reconocer que no depende de la Física que rodea a esa recta. Su forma y su rectitud no dependen de si hay estrellas, galaxias o agujeros negros a su alrededor. No dependen de si hay un potente imán o un cable por el que circula una corriente de 80.000 voltios.Tampoco depende de si la mueves o no. Es evidente que mover una recta no cambia su rectitud. Podrás trasladarla o girarla, pero siempre será recta. Este concepto que todos tenemos cuando pensamos en una recta es el concepto de "recta matemática" (Euclídea dirian muchos). Es un concepto que no depende de la Física. En esa recta puedes pintar (con tu mente) muchas rayitas igualmente separadas unas de otras. Tu concepto de "distancia" tampoco depende de la Física que rodee al lugar donde has aplicado esa distancia. Esa recta matemática, para tí, es recta de verdad. Entonces seguro que te atreves a afirmar que el camino más corto para ir de un extremo de tu recta al otro es la propia recta. Ese es el camino "más corto". Pero ¿qué significa para ti la palabra "corto"? Normalmente decimos que un camino es más corto si yendo por él nuestro reloj hace menos veces tic-tac que si vamos por otro camino. O dicho de otro modo. Es más corto si yendo por él hay menos rayitas de esas que habíamos pintado.

Por cierto, la duración de cada tic-tac de tu reloj mental también es una "duración matemática". Ese reloj que hace tic-tac de forma rítmica y precisa es un "reloj matemático". Todos tenemos el concepto de tiempo como una secuencia de tic-tacs en los que no interviene para nada la Física. Todos tenemos en nuestra mente los conceptos de duraciones y distancias al margen de la física. Es lo que los físicos llaman "Tiempo y Espacio absolutos". Isaac Newton creía en ellos como conceptos reales. Creía en ellos como conceptos físicos, inalterables por la física.

Pero resulta que la Naturaleza tiene una peculiaridad curiosísima. Afecta a nuestros relojes y reglas y resulta que si vas por tu camino recto (por tu recta matemática) un reloj haría más veces tic-tac que si vas por otro camino (por el camino que haría la luz, por ejemplo). Por tu camino matemático hay más rayitas en tu regla matemática que por otro camino. ¡Sorprendente!

Sí, es sorprendente, pero la Física afecta así a elementos construidos con elementos Físicos (como relojes y reglas). No podemos construir un reloj que no se vea afectado por la Física que lo rodea. No podemos construir una regla que no se vea afectada por la Física que la rodea.

Tus conceptos de tiempo y espacio matemáticos siguen siendo válidos como conceptos, pero no los puedes usar para predecir con exactitud el dónde y el cuándo de un ente físico, como una partícula o un satélite artificial.

Ahora viene la pregunta clave.

¿Sabríamos ir, con una nave espacial, en línea recta por el Universo?

La respuesta es "no" si estás pensando en una recta matemática. No sabemos ir en línea recta (matemática) por el universo. Piénsalo. Es decepcionante. Sólo sabemos alinear puntos (a modo de boyas luminosas) y si los vemos alineados decimos que vamos rectos. He dicho "vemos alineados", no "están alineados". Esta palabra es clave para entenderlo todo.

Cuando no podemos decir lo que "es" tenemos que decir lo que "vemos" (lo que detectamos). Nosotros estamos hechos de entes Físicos y construimos aparatos físicos, que nos permiten ir en línea recta física por el Universo.

Sí. Para nosotros, nuestro mundo físico es el que tiene rectas físicas. Las rectas matemáticas, si fueramos capaces de pintarlas en el aire, las "veríamos" curvas.

Imagina un enorme cilindro (matemático) en el Universo conteniendo millones de galaxias. El eje del cilindro es una recta matemática. Si encendiéramos un rayo láser en la dirección del eje, la luz del láser seguiría un camino diferente al del eje pues la luz se ve afectada por las galaxias. La luz del láser describiría lo que llamo "recta física". Para construir un pasillo recto por el que caminar entre las galaxias usaríamos un láser. Mientras construyamos el pasillo siguiendo el láser afirmaremos que "vamos rectos". Sí, pero "rectos físicos", no "rectos matemáticos". Nuestro pasillo lo "veríamos" recto. Sin embargo, el eje del cilindro (la recta matemática la veríamos curva).

Decir que la materia deforma el espacio-tiempo es una expresión que significa que la física altera nuestros relojes y reglas.

Un espacio no curvo (llamado normalmente "espacio plano" o Euclídeo) significa que la recta física sí coincide con la matemática. Dos rayos láseres (entes físicos) paralelos siempre seguirán paralelos. Ni se juntarán ni se separarán.

Un espacio curvo cerrado (llamado a veces esférico) significa que la física que hay en ese espacio haría que dos rayos láser paralelos acabarían juntándose. La Física que hay en ese espacio provoca que acaben juntandose pues hace que su luz no viaje por rectas matemáticas.

Un espacio curvo abierto (llamado a veces hiperbólico) significa que la física que hay en ese espacio haría que dos rayos láser paralelos acabarían separándose. La Física que hay en ese espacio provoca que acaben separándose pues hace que su luz no viaje por rectas matemáticas.

Una masa afecta a las reglas y relojes que haya a su alrededor. Hace que las rectas matemáticas no coincidan con las físicas. Si mueves esa masa, se produce una alteración del cómo afectaba a esas reglas y relojes. Esa alteración se propaga alejándose de la masa que habías movido, y lo hace a la velocidad de la luz. Esa "alteración que se propaga" es lo que llamamos ondas gravitacionales.

La alteración que rodea a nuestro planeta la podríamos representar según se muestra en la siguiente imagen. Por supuesto, de forma exagerada pues la masa de nuestro planeta no separa casi nada las rectas matemáticas de las rectas físicas.

 

 

Incluso en un universo perfectamente homogéneo (energía distribuida homogénemente), si estuviera en expansión (o contracción), las rectas matemáticas tampoco tendrían por qué coincidor con las rectas físicas. Dependiendo de la densidad de energía y del ritmo de expansión dos rayos láser paralelos podrían irse separando (espacio hiperbólico o abierto), podrían orse juntando (espacio esférico o cerrado) o podrían seguir siempre paralelos (espacio plano). La densidad de energía tiende a juntar los láseres. La expansión tiende a separarlos. El caso es que la expansión del universo (no sólo la masa) también contribuye a que las rectas matemáticas no coincidan con las rectas físicas.

Esperamos que esta explicación te haya ayudado a comprender e imaginar qué son las ondas gravitacionales. Son la propagación de eso que hace que la recta matemática no coincida con la física, causado por un movimiento de grandes masas (como agujeros negros moviéndose o supernovas explosionando).

Enlaces recomendados

Sección de Ciencia de El Pais - Ondas gravitacionales http://elpais.com/elpais/2016/02/10/ciencia/1455124978_980574.html

Wikipedia (mejor en inglés)
https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave

Artículo de AstroFácil (y Astrosima - Agrupación Astronómica de la Sierra de Madrid) sobre conceptos de espacio y tiempo
Artículo Conceptos de espacio y tiempo