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12/3/2011 - DJ:

Un juego para buscar ondas gravitacionales

T.E.L: 6 min. 6 seg.


Un sitio permite descargar aplicaciones interactivas, juegos y usar applets online con el objetivo de divulgar la búsqueda de ondas gravitacionales.
gwoptics


Como apoyo a los proyectos GEO 600 y LIGO, el grupo de difusión Gravitational Wave Group, con base en el Reino Unido, desarrolló el sitio gw optics.
Allí podemos encontrar varios juegos, un libro electrónico con información y web-applets para usar online, todo desarrollado con Processing, un proyecto de código abierto diseñado para abrir el mundo de los algoritmos a la gente con poca experiencia en computación o matemática.

Entre los applets encontramos Inspiral Signal : es un programa de Processing que muestra la señal de ondas gravitacionales de dos agujeros negros en colisión. Se usan los deslizadores para establecer la masa de ambos objetos.

Inspiral signal


Otro applet es Pendulum que intenta mostrar el problema de la aislación de las vibraciones.

Además posee aplicaciones para descargar e instalar. La instalación suele ser tan simple como descomprimir un archivo y ya.
Algunos de esos programas interactúan a través de la cámara web del usuario y han sido usados en exhibiciones de ciencia, como You are Einstein, una aplicación que contiene un algoritmo de reconocimiento de rostro. Así, sustituye las imágenes frontales de rostros de la cámara web por una fotografía de la cara del famoso físico alemán.
Otra aplicación es Augmented reality pendulum, en la cual la cámara web debe visualizar una imagen que debemos imprimir previamente y que tiene un logotipo. La aplicación genera un péndulo que "cuelga" desde ese logotipo que tendremos en nuestras manos frente a la webcam. Si movemos la imagen, también lo hará el péndulo.

Juegos
Hay otros dos juegos que no requieren el uso de webcams. Black Hole Pong es una nueva versión del clásico Pong. Existe una versión para Mac y otra para Windows, pero señalan que habrá otra para Linux también.
Un problema del juego es que es sólo para dos jugadores, es decir, no podemos jugar contra la computadora.
bhp


Si en el pong original lo que teníamos era un símil de tenis de mesa, con dos paletas y una pelotita, aquí tenemos una estrella y dos agujeros negros que actuarán de paleta por su fuerza gravitacional. A medida que el juego avanza, aparecen más estrellas simultáneamente.

Video: Black Hole Pong

http://www.youtube.com/watch?v=hrFhtWWVJms


La última novedad es Space Time Quest. Una especie de juego de estrategia en el que contamos con 100 millones de libras esterlinas para desarrollar un experimento. Cada parte del mismo puede configurarse de distintas maneras para tener mayor precisión o posibilidades de hallar ondas gravitacionales. Pero, lo bueno cuesta caro, así que la idea es crear la estrategia correcta en el gasto del dinero para producir un resultado cada vez mejor.
Aquí sí podemos jugar solos, aunque al conocer los puntajes más altos, tenemos una motivación para mejorar. A la hora de escribir esto había 359 puntajes (para la versión 1.0). El segundo y tercer lugar son de...(Ver puntajes más altos).

La idea del juego es diseñar un interferómetro para detectar ondas gravitacionales de fuentes astrofísicas muy lejanas. Esto se logrará al incrementar la sensibilidad de nuestro detector para que pueda hallar señales muy débiles.
Uno de los problemas es el ruido, estando aquí en la superficie de la Tierra, que proviene del entorno y del equipo. Así que nuestra meta será reducir el ruido que pueda contaminar nuestro experimento.

Para empezar el juego escribimos un nombre para nosotros y uno para nuestro detector. Luego deberemos decidir dónde instalaremos el detector: en la ciudad, en el desierto, en una isla o en una selva. De acuerdo a nuestra elección, tendremos más o menos ruido ambiente, pero también un mayor o menor presupuesto. Para el desierto, se comienza con 75 millones, no ya con 100.

Video: Space Time Quest - Tutorial

http://www.youtube.com/watch?v=lAvJrePR7F4



Apuntes de gravitación, con onda
En el sitio hay un e-book, como sus creadores decidieron llamar a un conjunto de páginas explicativas.
Allí se informa qué son las ondas gravitacionales:
Imagina que el espacio-tiempo es como una gigante manta de goma. Cuando un objeto masivo (como una estrella) se posa en esta manta, el espacio-tiempo se curva y cualquier cosa cercana al gran objeto se acelerará y caerá hacia el objeto masivo.
De Einstein sabemos que la gravedad funciona bastante parecido a eso. Cuando experimentamos una fuerza gravitacional acelerándonos hacia la Tierra, estamos viajando a lo largo de curvas en el espacio-tiempo!

Deformación espacio-tiempo


Si dos agujeros negros estuvieran muy juntos, se acelerarían uno a otro y se orbitarían mutuamente en espiral hasta finalmente colisionar a lo grande. Durante ese proceso el espacio que ocupen se perturbará y esa distorsión se propagaría al resto del universo, a la misma velocidad de la luz. Este fenómeno es lo que se conoce como onda gravitacional.

¿Y qué hacen esas ondas? La forma más simple de describirlo sería que "estiran" y "aprietan" el espacio a través del cual viajan o, en otras palabras, cambian las distancias entre los objetos.
Entre las fuentes más promisorias para las ondas gravitacionales están los agujeros negros en colisión, pero aunque son fuentes extremadamente poderosas, causan que las cosas se estiren o aprieten muy poco: una regla de 1 metro cambiaría en sólo 10-22m (o 0.0000000000000000000001 m). Así que se necesita instrumentos realmente muy sensibles para detectar este efecto.

Interferometría
Un interferómetro de Michelson consiste en tres espejos, un detector y una fuente de luz. Los espejos reflejan la fuente de luz y el detector observa la luz luego de ser reflejada. La luz de la fuente llega al primer espejo en un ángulo. Como este espejo es mitad transparente, la mitad de la luz es reflejada y va hacia una dirección, mientras el resto sigue su curso. A este primer espejo (o superficie semiespejada) se lo suele llamar "beam-splitter" o divisor de haz.
Así que ahora tenemos dos haces idénticos viajando en diferentes direcciones. Los diferentes caminos de estos haces son usualmente llamados "brazos" del interferómetro. Al final de cada brazo hay otro espejo. Estos espejos son totalmente reflectantes, así que devuelven la luz hacia el divisor.

Interferómetro Michelson


Ahora la cosa se pone interesante: cuando los haces vuelven al divisor, la mitad de cada uno es reflejada y la otra mitad sigue, como antes. La parte crucial es que ahora los haces de los dos brazos interfieren. Por eso recibe su nombre el instrumento.

La interferencia ocurre cuando añadimos una onda sobre otra. Si las ondas tienen sus crestas y valles en los mismos puntos, se añaden para formar una onda mayor. A eso se llama interferencia constructiva. Pero si la cresta de una está en el mismo punto que el valle de la otra, se cancelan en una interferencia destructiva. Así, al añadir ondas, el resultado depende de las diferentes posiciones de las crestas y valles de las ondas.

Interferencia


Podemos describir la luz como un conjunto de ondas, así que si añadimos dos haces de luz esperaremos una interferencia, que es lo que ocurre cuando los haces vuelven al divisor a recombinarse. La cresta y valle de las posiciones de los haces depende de la longitud de cada brazo. Así, al medir la luz del haz que sale del interferómetro los investigadores pueden saber cuán bien encajan las crestas y valles de los haces de los brazos y si hay, por lo tanto, una diferencia en la longitud de los mismos.

Podemos entender un poco mejor este proceso "jugando" con la aplicación Michelson Interferometer.
En la aplicación online veremos controles deslizadores. Dejemos el beam-splitter y los espejos (first, second mirror) igual a como aparecen en forma predeterminada, tal como se indicó antes: el divisor con 0,5 y los espejos con 1 de reflectividad. Y cambiemos la longitud de un brazo (length of second arm). El resultado son los dos haces output.
Michelson


Otras consideraciones:
El ruido debe ser considerado. Algunas variables que no son las buscadas, pueden interferir negativamente en el experimento. Así que los hacen grandes y en sitios tranquilos.
Los espejos son esenciales. Básicamente son cristales, sílice fundida, de diferente tamaño. Para el planificado Advanced LIGO tendría 34cm de diámetro y 20 de espesor. Se les aplica luego una capa especial que le otorga sus características de reflexión.
Además, hay que considerar el movimiento de los espejos, que debería reducirse a la mínima expresión, incluso por movimientos de suelo. Una forma de aislar los espejos de ruido sísmico es con una serie de péndulos. La cantidad de movimiento de un péndulo alcanza un máximo a una frecuencia conocida como frecuencia de resonancia. Cuando el péndulo oscila más rápido, se mueve cada vez menos. Así, suspender un espejo como un péndulo, hace que esté más quieto que el suelo. Al añadir más péndulos, el movimiento puede ser reducido todavía más.


Hace pocos días conté aquí de un nuevo descubrimiento de Einstein@Home. Uno de los objetivos de ese proyecto es hallar ondas gravitacionales. Así que si el tema le interesó, quizás pueda colaborar con el tiempo sin uso de su ordenador.

Nota escrita para el XVII Carnaval de la física, en esta edición hospedado por Vega 0.0. Para unirse y leer las entradas existe una red social en Ning.



Fuentes y links relacionados



Sobre las imágenes

  • Todas las imágenes usadas son de gw optics.


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