Física, Química y Astronomía

Entendiendo sin filtros las Ondas Gravitacionales

¡Buenos días, concienciudxs!

Como anunciábamos el viernes, el pasado 11 de febrero se anunció la primera detección de ondas gravitacionales de la historia. Recuerdo oír, en mis tiempos de cosmólogo, que la teoría de la Relatividad General de Einstein predecía la existencia de ondas gravitacionales y, por aquél entonces, aquéllo me sonaba como una especie de cuento que se les contaba a los niños (niños físicos, en este caso). Pues bien, ¡el futuro ya está aquí! Y yo caí, como tantos físicos teóricos, enamorado de la moda de las ondas gravitacionales, esas perturbaciones que se transmiten a través del espacio-tiempo deformándolo… Bueno, vamos a repasar brevemente lo que son, pero después me gustaría acercaros al artículo original, porque quiero que veáis cómo muchas de las figuras del trabajo original se pueden entender, por mucho que estemos hablando de cosas tan complejas.

La teoría de Einstein estableció que el espacio y el tiempo están relacionados y que, de hecho,  no se puede hablar del uno sin el otro. En el fondo, tiene sentido, pues no podemos imaginar que algo esté en un sitio sin que pase un determinado tiempo allí. O, si no, ¿por qué creéis que las nuevas ecografías de los embarazos se llaman 4d? Pues precisamente por eso, porque reconstruyen al bebé en 3 dimensiones y le añaden otra dimensión, que es el tiempo. Así pues, vemos la reconstrucción en tres dimensiones del pequeño (espacio), pero en vídeo (tiempo). Ya veis que, intuitivamente, tiene sentido que las coordenadas espaciales y el tiempo estén ligados.

La gracia viene a continuación porque, según la teoría de Einstein, la masa de los objetos deforma el espacio-tiempo, como sucede cuando nos sentamos en una colchoneta elástica. De esta forma, la atracción que percibimos entre los planetas y el Sol se debe a que los primeros están en el radio de acción de la estrella, cayendo así en la correspondiente deformación del espacio-tiempo de la misma. De esta forma, igual que una cama elástica es flexible, también lo es el espacio-tiempo, con lo que puede darse el caso de que existan perturbaciones que se transmitan a través de él. Estas perturbaciones se bautizaron con el nombre de ondas gravitacionales.

¿Por qué no se habían medido hasta ahora? Las ondas gravitacionales ordinarias son básicamente indetectables con nuestra tecnología. Todo objeto en movimiento, por el hecho de tener masa, produce ondas gravitacionales, pero son tan insignificantes que no podemos ni siquiera medirlas. Para producir la suficiente cantidad de ondas gravitacionales detectables, tuvimos que asistir a la fusión de dos agujeros negros, así como suena. Si nos fijamos, en el artículo original calculan matemáticamente la amplitud de las ondas gravitacionales asociadas a tal fenómeno, como podéis ver a continuación:

Figura1_GW
Figura 1: Predicción de ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros

Al principio, los dos agujeros negros giran uno alrededor del otro en espiral (inspiral en la figura), generando unas ondas gravitacionales de menor frecuencia. Según se van acercando el uno hacia el otro, empezarán a girar más rápido, generando ondas gravitacionales de mayor frecuencia y más amplitud, hasta el momento de la unión (merger en la figura), en el que se alcanzará tanto el máximo de amplitud como el de frecuencia. Como se puede ver, una vez completada la fusión, el agujero negro resultante (fase Ring down) dejará de producir ondas gravitacionales, pues su movimiento (si existe) será infinitamente menos violento.

¿Y cómo hemos sido capaces de detectar estas ondas gravitacionales tan insignificantes? Pues gracias a una avanzada instalación tecnológica, llamada LIGO, que se describe también en el artículo original:

Figura2_GW
Figura 2: Instalación para detectar ondas gravitacionales

Como vemos en la parte superior izquierda, el proyecto consta en realidad de dos detectores que se encuentran en Estados Unidos (la figura no está a escala). Cada detector está formado por dos brazos de unos cuatro kilómetros cada uno que forman un ángulo de noventa grados entre sí. De hecho, se pueden ver ambos en google maps, como podéis comprobar en la captura pantalla que acabo de hacer:

LIGO2
Figura 3: Captura de mi ordenador de la instalación LIGO, en Livingstone, Louisiana

El funcionamiento es el siguiente (véase Figura 2): un láser (laser source) manda un haz de luz hacia un espejo especial que lo divide (beam splitter), dejando pasar la mitad del haz y reflejando la otra mitad perpendicularmente al haz original. Como hemos visto antes, una onda gravitacional es capaz de deformar ligeramente el espacio-tiempo a su paso y, como en nuestro caso los dos brazos son perpendiculares, las ondas gravitacionales deformarán el espacio-tiempo de cada brazo de forma diferente. En palabras de los autores “una onda gravitacional propagándose perpendicularmente al plano del detector […] tendrá el efecto de alargar uno de los brazos y acortar el otro”. Y estas pequeñas diferencias serán detectadas y cuantificadas por los medidores del experimento (test mass). A continuación os enseño lo que detectaron estos medidores el 14 de Septiembre del año pasado (momento en el que se detectó la fusión de los agujeros negros):

Figura3_GW
Figura 4: Detección experimental de ondas gravitacionales

La parte de arriba de la figura nos muestra la señal obtenida en crudo y la parte inferior la señal una vez filtrada. En la columna izquierda tenemos los resultados para uno de los medidores, el de Hanford, y en la derecha los del otro, en Livingston. Si recordamos la Figura 1, los datos obtenidos son similares a los predichos teóricamente, confirmándose por tanto la existencia de las ondas gravitacionales.

La detección de las ondas gravitacionales tiene una importancia fundamental, no sólo porque confirma (por enésima vez) la validez de las teorías de Einstein sino porque permite abrir una nueva ventana para la observación del Universo. Hasta ahora sólo hemos explorado el cosmos a través de la radiación electromagnética, y las ondas gravitacionales suponen una forma completamente distinta de acceder al mismo, si bien la limitación tecnológica es algo que nos hace tomar esta afirmación con cierta cautela.

¡Buena semana!

 

Fuente: Abbott et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary BlackHole Merger. PRL 116, 061102 (2016)

Anuncios
Física, Química y Astronomía

¡Ya están aquí las ondas gravitacionales!

¡Hola a todos! esta semana se ha producido un descubrimiento histórico en el campo de la astrofísica. Científicos del LIGO han detectado las ondas gravitacionales que predijo Albert Einstein hace 100 años en su teoría de la Relatividad General. El trabajo acaba de salir publicado en la revista Physical Review Letter y explica cómo se han detectado las ondas gravitacionales producidas por la fusión de 2 agujeros negros. Esta observación, a parte de confirmar la existencia de dichas ondas, ha permitido detectar por primera vez este fenómeno de fusión. Las ondas gravitacionales permitirán observar con detalle los agujeros negros y otros fenómenos que ayudarán a entender el Universo y su origen.

fkwgayc8ilpseexf94oo.gif
Agujeros negros fusionándose