¿Por qué es tan importante la detección de ondas gravitacionales?

Exactamente 100 años después de que Einstein predijera la existencia de las ondas gravitacionales, el equipo científico de LIGO (siglas de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ha anunciado que éstas fueron detectadas directamente. El 14 de septiembre de 2015, a las 9:50 UTC, una señal consistente con ondas gravitacionales fue recibida por dicho interferómetro. Después de varios meses de análisis, se confirmó: LIGO captó, por primera vez en la historia, ondas gravitacionales.

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La detección directa de ondas gravitacionales trae consigo enormes implicancias. Por un lado, es una confirmación empírica más de la Relatividad General de Einstein (la primera se obtuvo gracias a un eclipse de Sol). Por otra parte, el descubrimiento abre las puertas de una nueva era para la astronomía, la astronomía de ondas gravitacionales, que sin el uso de telescopios como los conocemos permitiría observar por primera vez los elusivos agujeros negros, entre otros objetos imposibles de detectar con los instrumentos actuales.

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¿Qué son las ondas gravitacionales?

Según la Relatividad General de Einstein, el espacio y el tiempo están intimamente ligados. El tiempo no es más que otra dimensión del espacio: podemos movernos hacia arriba y hacia abajo, hacia atrás y hacia adelante, hacia la izquierda y hacia la derecha, y a través del tiempo.

Esta unión de nuestras tres dimensiones espaciales con el tiempo es lo que se conoce como el espacio-tiempo. Todo el Universo está contenido en el espacio-tiempo. Todo lo que se mueve, lo hace a través del espacio-tiempo.

Imagina ahora que este espacio-tiempo es una gran sábana, que mantienes muy estirada sobre el aire. Si tiras una pelota de fútbol sobre la sábana, la pelota avanzará hacia el centro y la sábana se curvará. Si pudiéramos escapar de la fuerza de gravedad de la Tierra y lanzáramos una canica en un ángulo perfecto a esa sábana, la canica quedaría rotando alrededor de la pelota, debido a la curvatura en la sábana. Asi es como funciona la gravedad en el espacio-tiempo.

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La gravedad, que hace que los cuerpos orbiten unos en torno a otros, está dada por la curvatura del espacio-tiempo.

Para ciertas combinaciones especiales, por ejemplo, dos agujeros negros rotando uno en torno al otro, su enorme densidad hace que la “sábana” del espacio-tiempo no sólo se curve, sino que también se generan ondas en ella, similares a las pequeñas olas que surgen cuando lanzas una pequeña roca a un lago en calma. En un caso así veríamos la sábana curvarse y, además, veríamos pequeñas ondas saliendo de donde se ubican estos cuerpos muy densos. Ya dijimos antes que la curvatura que se crea en la “sábana” es lo que genera la gravedad: en el caso, entonces, que algo muy denso no sólo curvara sino que generara ondas en el espacio tiempo, estas ondas transmitirían gravedad: un sistema de ese tipo genera ondas gravitacionales.

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Dos agujeros negros, rotando entre sí, generan ondas gravitacionales en el espacio-tiempo debido a su enorme densidad. 

Las ondas gravitacionales fueron predichas por Einstein en 1916. Si dos cuerpos se mueven en el espacio tiempo, generarán cambios en la curvatura que les da su gravedad. Si estos cuerpos se encuentran acelerando, los cambios en esta curvatura se propagarían hacia afuera, transmitiéndose como ondas gravitacionales. Estas ondas serían el único tipo de radiación que se transmite como variaciones del espacio-tiempo en si mismo.

¿Por qué es tan importante su detección?

Hasta hoy, para el mundo científico las ondas gravitacionales eran sólo teóricas. Según la Relatividad General las ondas gravitacionales deberían existir, pero nunca se habían observado ni detectado.

En primer lugar la detección de ondas gravitacionales prueba, una vez más, que la teoría de la relatividad es correcta: la detección proporciona nueva evidencia empírica para apoyar los análisis teóricos realizados por Einstein.

Por otro lado, abre las puertas a una nueva era en astronomía. Si bien probablemente has escuchado hablar de los agujeros negros, hasta hoy éstos nunca habían sido observados directamente: sólo se observaban los efectos gravitacionales que generan en las estrellas a su alrededor. Esta detección de ondas gravitacionales es también la primera observación directa que se tiene de la actividad de un agujero negro, sin necesidad de recurrir a observar su entorno.

Lo mismo ocurre con las estrellas de neutrones, estrellas muy compactas, densas y pequeñas, que se formarían como resultado de una explosión de supernova. Debido a su composición, tamaño, y la distancia a la que se encuentran, este tipo de estrellas son virtualmente imposibles de observar si no se encuentran interactuando con otra estrella de distinto tipo. Sin embargo, su enorme densidad hace que generen ondas gravitacionales en su movimiento, las cuales podrían llegar a nosotros sin problemas.

Existe un tipo de ondas gravitacionales, llamadas ondas gravitacionales primordiales, que deberían haberse generado en el Big Bang. Si se detectan estas ondas, esto confirmaría la teoría de la inflación: esta teoría propone que unos 10⁻³⁶ segundos después del Big Bang (1/100000…000 con 36 ceros) el Universo pasó por una etapa (también de pequeñísimas fracciones de segundo) donde se expandió exponencialmente, para luego seguir expandiéndose de manera no tan acelerada. La inflación explicaría por qué el Universo se ve tan uniforme en todas direcciones, y por qué es plano, entre otras cosas. Se tiene bastante evidencia indirecta de todos esos hechos, pero observar ondas gravitacionales primordiales los confirmaría.

¿Por qué son tan difíciles de detectar?

Comparada con el tamaño de los objetos astronómicos que las generan, la amplitud de una onda gravitacional al llegar a la Tierra es extremadamente pequeña: aproximadamente una mil millónesima (1/1.000.000.000) parte del tamaño de un átomo. Detectar ondas es relativamente fácil; detectar ondas de amplitud tan pequeña es extremadamente difícil. ¿Cómo detectamos variaciones de tamaño tantas veces menor al tamaño de un átomo?

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La amplitud de una onda corresponde al “tamaño” de sus picos y valles.

Es por eso, también, que las ondas gravitacionales que se podrían detectar deben provenir de objetos astronómicos muy densos, como un agujero negro o estrellas de neutrones. Un sistema planetario, como la Tierra orbitando en torno al Sol o la Luna orbitando en torno la Tierra, también genera ondas gravitacionales, pero la amplitud de estas ondas es tan ínfima que serán imposibles de detectar. Dos agujeros negros podrían generar ondas con amplitud de una milmillonésima parte del tamaño de un átomo… ¡las generadas por el sistema Tierra-Luna son muchísimo menores a eso! Pero la física es la misma, y las ondas gravitacionales están.

Buscando las ondas

En el año 2014, el radiotelescopio BICEP2 parecía haber detectado ondas gravitacionales primordiales. Fue una falsa alarma: al parecer la señal obtenida se debía a polvo presente en nuestra propia galaxia.

LIGO es un instrumento diseñado especialmente para detectar ondas gravitacionales. Este cuenta con dos detectores separados por 3000 kilómetros: uno se ubica en Lousiana y el otro en Washington (ambos en Estados Unidos). Hay una razón por la cual ambos detectores se encuentran tan distantes: las ondas gravitacionales serán detectadas por cada uno de los instrumentos con algunos milisegundos de diferencia. Esto permite triangular la señal, es decir, saber de qué parte del Universo proviene.

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Los dos detectores de LIGO, a 3000 kilómetros de distancia. Imagen vía Space.com

Cada detector de LIGO está conformado por tubos de 4 kilómetros de largo. Dentro de estos tubos viajan rayos láser, con una posición conocida. Usando espejos, estos rayos láser se hacen rebotar una y otra vez dentro de los tubos, hasta que recorran una distancia efectiva de unos 300 kilómetros. Entonces se mide la posición de los rayos láser. Si una onda gravitacional ha pasado por la Tierra, las posiciones de los rayos habrán cambiado. Una onda gravitacional real afectará a los dos instrumentos por igual, solo con un pequeño desfase temporal.

La primera detección

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Las señales captadas por los dos detectores de LIGO. Imagen vía Science.

El 14 de septiembre de 2015, a las 9:50 UTC, los dos instrumentos de LIGO detectaron una señal casi idéntica con sólo 0.007 segundos de desfase entre ambos. La señal tenía inicialmente una frecuencia de 35 Hz, y llegó a los 250 Hz antes de desaparecer. Además, la señal fue tan fuerte que se detectaba a simple vista en los datos, casi sin necesidad de procesarlos.

Mediante el uso de simulaciones computacionales se determinó que la señal fue generada por el impacto entre dos objetos, de masas 29 y 36 veces la del Sol, respectivamente. Estos objetos se encontraban rotando a unos 200 kilómetros de distancia antes de colisionar en la explosión más poderosa detectada hasta ahora. Hay solo un tipo de objeto astrofísico que puede generar ese nivel de energía: un agujero negro. Es decir, hoy no solo se confirmó la detección de ondas gravitacionales, sino también la primera detección directa de un agujero negro sin necesidad de observar sus alrededores.


 

El anuncio de hoy marca un momento histórico de la física y la astronomía. Ahora que se sabe que el detector LIGO fue exitoso, los descubrimientos que se vendrán en el futuro podrían transformar enormemente nuestro conocimiento sobre el Universo, permitiéndonos estudiar un tipo de radiación que, hasta hoy, era solo teórica.

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3 thoughts on “¿Por qué es tan importante la detección de ondas gravitacionales?

  1. Me encanto tu podcast, lo descubri en un episodio de Ricardo Garcia. Me gusta tu aproximacion que haces desde la academia. Solo te recomiendo que pongas de fondo un tema musical

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