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12/2/16 - DJ:

Un descubrimiento con onda

T.E.L: 8 min.

La noticia corrió como reguero de pólvora. La colaboración LIGO anunció la detección directa de ondas gravitacionales. ¿Qué son y cómo se las detectó?



UN POCO DE HISTORIA
¿Qué es la gravedad?
Isaac Newton se percató de que fenómenos aparentemente distintos, eran similares en un sentido: la órbita de los planetas y la caída de una manzana se podían entender con una fórmula:
F= G.m1.m2 / r2

donde m1 y m2 son las masas de dos objetos, r es la distancia entre ellos y G es la llamada Constante Universal de la Gravedad. El valor de esta constante fue determinado experimentalmente por Henry Cavendish.

La ley de la gravedad de Newton fue un gran avance porque permitió describir correctamente el movimiento de la mayoría de los objetos del sistema solar y de los objetos aquí en la Tierra. Pero, en algunos casos, esta ley no brindaba respuestas adecuadas, por ejemplo, la conocida "anomalía de Mercurio".

A finales del Siglo XIX, el joven Albert Einstein empezó a seguir un camino similar a James Clerk Maxwell que unas décadas antes había logrado unir los conceptos de electricidad y magnetismo.
El joven Einstein se imaginaba cómo sería moverse sobre un haz de luz. Se dio cuenta de que en ese marco de referencia la luz parecería congelarse, lo que lo llevó a pensar que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, independientemente de su movimiento, que es uno de los principios de su Teoría especial de la relatividad, publicada en 1905.
Pero la naturaleza geométrica de la gravedad llegaría más tarde, por su colaboración con Hermann Minkowski quien desarrolló la idea de "espacio-tiempo" en el que los eventos ocurren en un "espacio" de cuatro dimensiones, las tres del espacio y una del tiempo. La Teoría General fue publicada en 1915.

La teoría lograba explicar la anomalía de Mercurio. Además, si para Newton la gravedad era una fuerza que actuaba en forma instantánea, para Einstein la gravedad es producida por la distorsión del espacio-tiempo.

A esa distorsión se la suele llamar "curvatura". El "tejido del espacio-tiempo" como también se le dice, sería como una tela que lo cubre todo y que puede deformarse con la masa de los objetos que se sitúan sobre esa tela, estirándola. Más que una tela de algodón, el espacio es como una goma.

Esto lleva a pensar algo poco intuitivo: en algunos casos, un centímetro es más corto que otro si la fuerza del campo gravitacional es distinta. Un segundo sería más largo que en otros lugares.

Esta "curvatura" o "deformación" del espacio-tiempo suele visualizarse de esta manera:

Fig.1: Representación visual de la "curvatura" del espacio-tiempo.

Sin embargo, esta visualización es sólo una ayuda visual, aunque a veces, si se la interpreta literalmente, no es tan ayuda...

Si los objetos masivos deforman el espacio-tiempo y al cambiar la distribución de esa masa-energía cambiará la curvatura, los efectos de estos cambios no ocurren en forma instantánea.
La información es llevada a la velocidad de la luz por las ondas en el espacio-tiempo, pequeñas expansiones o estrechamientos en las coordenadas que describen el espacio-tiempo. Tales ondas son las ondas gravitacionales.

Un ejemplo puede ayudar: Si vivimos en una casa a orillas del mar (como en aquella fantástica canción del grupo Genesis) con un bote amarrado al muelle y vemos que en el horizonte hay una tormenta, notaremos los efectos de la misma aunque esté lejos y aunque nunca llegue la misma tormenta a nosotros. Los vientos generarán ondas en el mar que harán que nuestro bote se balancee.

Reemplacemos la tormenta por un sistema binario (compuesto por dos objetos). Esas ondas gravitacionales llevan energía y como son producidas por el movimiento de las estrellas en el espacio, el sistema estelar debe estar perdiendo energía.
Si tiro una piedrita al mar, para hacerlo debo usar energía que pierdo al usarla, transfiriéndola a la piedra y ésta a la onda que se genera en el agua.
De igual forma, al generar ondas gravitacionales, los dos objetos pierden energía, por lo que lentamente se acercan uno a otro.

La teoría de Einstein predice una relación exacta entre el tamaño de la órbita y la tasa a la cual esa órbita se hace más chica al emitir ondas. Como estas ondas son pequeñas, cuanto más masivos sean los objetos involucrados, será más fácil detectar esas ondas.

DETECCIÓN INDIRECTA DE ONDAS GRAVITACIONALES
En la década de 1970 en el radiotelescopio de Arecibo, Russel Hulse buscaba púlsares que son estrellas de neutrones magnéticas y en rápida rotación y emiten pulsos similares a un faro. Como la separación entre pulsos son estables, también son "relojes".
Pero uno de los púlsares descubiertos por Hulse, llamado PSR 1913+16, mostraba una variación periódica en sus pulsos. Cuando lo consultó con su consejero, Joseph Taylor, llegaron a la conclusión de que estaban observando un par de púlsares orbitándose mutuamente. El período de estos pulsos era de ocho horas, por lo que infirieron que la estrella compañera debía de ser pequeña. Con mayores observaciones concluyeron que la estrella compañera era también una estrella de neutrones, pero no un púlsar.

Estas dos estrellas estaban gradualmente acercándose en espiral una a la otra. La tasa de pérdida de energía implicada podía ser comparada con la predicha por Einstein como radiación gravitacional. El acuerdo entre lo predicho y lo observado era tan exacto que, aunque no fue una prueba directa, no cabían dudas de que las ondas gravitacionales existían.

Hulse y Taylor recibieron el Premio Nobel en 1993 por su descubrimiento.
Desde entonces, se hallaron otros sistemas que muestran lo mismo.
Pero detectar en forma directa estas ondas, es otra cuestión, ya que hablamos de valores minúsculos.

LA OBSERVACIÓN DIRECTA DE ONDAS GRAVITACIONALES
Como las ondas electromagnéticas, las gravitacionales son ondas transversales que viajan a la velocidad de la luz. La Teoría General de la Relatividad permite predecir la fuerza y frecuencia de estas ondas, como también ocurre con las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, el electromagnetismo es una fuerza más fuerte que la gravedad. El ingenio de los astrofísicos se puso a prueba.

Los detectores del observatorio LIGO consisten en espejos suspendidos en detectores separados. El paso de ondas gravitacionales por estos detectores, cambia la separación entre ellos. Un evento violento en el espacio producirá ondas gravitacionales que, al pasar a través de un detector, cambiará la distancia entre los espejos en un factor de 10-19 metros.

LIGO consiste en dos brazos perpendiculares de 4 kms. Un haz de láser se emite hacia un bifurcador que envía la mitad de la luz hacia un brazo y la otra mitad al otro. Los espejos reflejan la luz hacia donde vinieron y el bifurcador (splitter) los combina y lo envía a un detector. El diseño permite que la luz de ambos brazos se cancele como una interferencia destructiva al recombinarse. Pero si la fuerza es ligeramente distinta, por el paso de ondas gravitacionales, al recombinarse se producirá una ligera diferencia.

Cuando una onda gravitacional pasa por allí, la expansión o estrechez del espacio causa que los brazos del interferómetro se alargue o acorte. Al modificarse la longitud de estos brazos, el haz láser que viaja por allí viajará diferentes distancias produciendo una diferencia en la interferencia (no cancelándose del todo). El cambio de longitud de un brazo dividido por la longitud del brazo es un parámetro llamado "strain" (o h)

Así como los objetos cósmicos generan diferentes longitudes de onda a través del espectro electromagnético, distintos sistemas físicos generan diferentes longitudes de ondas gravitacionales. La siguiente figura ilustra las fuerzas esperadas de las ondas gravitacionales, usualmente llamada h, bandas de longitudes de onda y tipos de fuentes esperadas para cada banda. LIGO es sensible a ondas gravitacionales con frecuencias en el rango 10-2000 Hz.

Fig.2: Espectro de ondas gravitacionales

Para ilustrar la diferencia de las ondas, veamos el siguiente gráfico:

Fig.3: patrón de interferencia.

A la izquierda dos ondas con una diferencia de fase de cero grados, es decir, "en fase". A la derecha, dos ondas con 180 grados de diferencia.
En el primer caso se suman, en el segundo, se cancelan.

Los científicos de LIGO buscan en los datos registrados para hallar cómo el patrón de longitud de los brazos se compara con diferentes tipos de fuentes de ondas gravitacionales. En la siguiente figura se muestran los datos recibidos por los dos interferómetros LIGO, uno en Livingston y otro en Hanford el 14 de septiembre de 2015, junto con la comparación con lo predicho, que en este caso concuerda con un sistema binario compuesto por dos agujeros negros, cada uno de 30 masas solares (aprox) localizados a una distancia de mil millones de años luz!

Fig.4: Datos combinados Hanford-Livingston.

La parte final del gráfico muestra una superposición de ambas señales detectadas. Los datos de Hanford fueron invertidos para la comparación debido a las diferentes orientaciones de los detectores en ambos sitios. También se corrigieron los datos en el tiempo por el tiempo de viaje entre los dos lugares (7 milisegundos de diferencia). Lo asombroso es que ambos detectores atestiguan lo mismo, lo que confirma la detección.

La localización aproximada de la fuente de estas ondas se observa en el gráfico siguiente:

Fig.5: Localización aproximada de señales LIGO.

La imagen combina un mapa de luz visible del hemisferio sur del cielo y los diferentes colores representan distintas probabilidades del origen de la señal: la línea púrpura define la región desde la cual la señal fue emitida con un 90% de confianza. La región amarilla interna posee una confianza del 10%.

En el futuro, con otros observatorios similares (Advanced Virgo en Italia y KAGRA en Japón), los científicos podrán mejorar las localizaciones.

Datos para el recuerdo
La ficha del descubrimiento es la que se muestra abajo, que incluye los parámetros de la detección de las Ondas Gravitacionales halladas el 14-09-2015 (GW150914):

La masa en unidades de masas solares sería de 36 y 29 (masa final 62).

Fig.6: Datos de la señales LIGO GW150914.

Agujeros negros
Un agujero negro NO es un agujero. Es un lugar en el espacio donde la gravedad es tan fuerte que la materia o energía no puede escapar (a menos que tenga una velocidad mayor a la velocidad de la luz, que se considera imposible).
Lo que ocurre es que la velocidad de escape es mayor a la velocidad de la luz. Si queremos poner un satélite en órbita o, con un único impulso, tirar una pelota de tenis hacia "arriba" y que salga de la gravedad de la Tierra y orbite al planeta, necesitamos una cierta cantidad de energía que se traduce en la velocidad de escape. En el caso de nuestro planeta es de 11 km/s (aprox).
Si tal velocidad fuera mayor a la velocidad de la luz, entonces, nunca podríamos salir de la Tierra.
La distancia a la cual la luz no puede escapar se llama horizonte de eventos. Un agujero negro con la masa de nuestro Sol tendría un horizonte de eventos con un radio de 3 km. En otras palabras, si comprimimos la masa del Sol a sólo 3 km de radio, tendríamos un agujero negro.
Una manera de formarse un agujero negro es a partir de una estrella en explosión que posea 25 veces la masa del Sol.

CONSECUENCIAS
Es difícil predecir las consecuencias de un descubrimiento. "Esta detección es el comienzo de una nueva era: el campo de la astronomía de ondas gravitacionales es ya una realidad", dijo Gabriela González, portavoz del LSC y profesor de física y astronomía en la Universidad Estatal de Louisiana.

Da la sensación que se abre un nuevo capítulo en la cosmología contemporánea y un nuevo campo de exploración que recibe el impulso de la confirmación empírica de un marco teórico. Sin embargo, es menester recordar que la Teoría General de la Relatividad es incompatible con la mecánica cuántica.

Vale la siguiente reflexión sobre lo posible y lo imposible: desde hace pocas décadas se busca la "materia oscura", la "energía oscura" o, como dije, un marco teórico que imbrique las dos grandes teorías vinculadas a la cosmología.
Actualmente los astrofísicos están pensando que quizás haya varias formas de materia oscura. Se podría pensar que están en un callejón sin salida, dando vueltas para mantener un marco teórico que no ha brindado suficientes evidencias. De eso se trata la ciencia, de evidencias. Pero también la historia enseña que no es lo mismo algo imposible que algo difícil.

Bruce Allen, director del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Albert Einstein Institute), añade: "Einstein pensó que las ondas gravitacionales eran demasiado débiles para ser detectadas, y no creía en los agujeros negros. ¡Pero no creo que le hubiera importado estar equivocado!”



Fuentes y enlaces relacionados
Direct observation of gravitational waves - Educators Guide
LIGO
http://bit.ly/1T9d0PN
This guide was written by Kevin McLin, Carolyn Peruta and Lynn Cominsky. Layout and Design by
Aurore Simonnet. SSU Education and Public Outreach Group, Sonoma State University, Rohnert Park, CA

LAS ONDAS GRAVITACIONALES DETECTADAS 100 AÑOS DESPUÉS DE
LA PREDICCIÓN DE EINSTEIN
Nota de prensa Colaboración LIGO
https://www.ligo.caltech.edu/WA/news/ligo20160211

"Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger"
Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016
http://authors.library.caltech.edu/64405/


Sobre las imágenes
Figura 1: Curvatura del espacio-tiempo
Credit: LIGO/T. Pyle

Figura 2: Espectro de ondas gravitacionales
Credit: SSU E/PO/Aurore Simonnet


Figura 3: patrón de interferencia
Credit: SSU E/PO Aurore Simonnet

Figura 4: Datos combinados Hanford-Livingston
Credit: LIGO

Figura 5: Localización aproximada de señales LIGO. Crédito:
LIGO/Roy Williams, Shane Larson and Thomas Boch

Figura 6: Datos de la señales LIGO GW150914.
Crédito: LIGO.

Imagen inicial de
https://www.black-holes.org/gw150914
Numerical-relativistic Simulation: S. Ossokine , A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics)
Scientific Visualization: W. Benger (Airborne Hydro Mapping GmbH)

http://mediaassets.caltech.edu/gwave

1 comentario:

  1. Excelente página, no dejen de subir contenido.

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