Las ondas gravitacionales, esas “it girls” de la física

Sí, señoras y señores, ¡las ondas gravitacionales que predijo Albert Einstein están de moda! Son como las”it-girls”, esas famosas de las que escuchas hablar sin parar aunque no sepas muy bien a qué se dedican. Se acaba de anunciar que el pasado diciembre fueron detectadas por segunda vez por el observatorio estadounidense LIGO, el mismo que tuvo el privilegio de “escucharlas” por primera vez tres meses antes.

OndasGravitacionalesRecortadaComo entonces Ciencívora no existia, aprovecho esta ocasión para  convertirlas en protagonistas de mi primer “It-science”, la sección que dedicaré a los temas más candentes de la ciencia.

¿Estáis cansados de escuchar hablar de ellas y no saber qué son o por qué se las venera? Pues aquí tenéis una guía rápida “ondigravitacional” con unas breves explicaciones y links interesantes.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

En su Teoría de la Relatividad, Einstein describió la gravedad como la deformación provocada por la masa en el espacio-tiempo, el continuo de cuatro dimensiones (las tres espaciales y el tiempo) en el que se desarrollan todos los acontecimientos del Universo. Para entendernos, el espacio-tiempo sería como una malla elástica que se puede hundir cuando hay un cuerpo con mucha masa, como el Sol. Y la fuerza de la gravedad que atrae a otros cuerpos estaría provocada por esas deformaciones del espacio-tiempo que generan los cuerpos muy masivos. OndasGravitacionales2recortdaCualquier movimiento o cambio en la posición de esos cuerpos provocará ondas en la superficie: son las ondas gravitacionales,  que se propagan por el Universo a la velocidad de la luz, de la misma forma que las que se crean en un estanque cuando se tira una piedra.

¿Sigue sin quedaros claro? Pues os recomiento que veáis este video que grabó Javier Santaolalla, de Big Van, cuando se hizo el primer descubrimiento.

Pero la gravedad es una fuerza muy débil, así que para que esas ondas puedan detectarse desde la Tierra es necesario que la perturbación que las provoca sea de gran magnitud y también contar con una tecnología muy avanzada para captartas. Las primeras ondas gravitacionales que se han percibido se originaron durante la fusión de dos agujeros negros muy masivos y fueron captadas gracias al Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO). Pero volveremos a eso más adelante.

¿Por qué son tan importantes?

Las ondas gravitacionales eran la única predicción de la Teoría de la Relatividad de Einstein que todavía no se había conseguido comprobar. De hecho, ni siquiera el propio genio alemán confiaba en que alguna vez pudiesen detectarse debido a su débil intensidad. Gracias al trabajo de generaciones de científicos y al tesón de los investigadores de LIGO, cien años después ha quedado demostrado que el físico más célebre de todos los tiempos también tenía razón en esto.

AgujeroNegroooo

Representación de un agujero negro

Por otro lado, las ondas gravitacionales permitirán estudiar objetos y eventos que no pueden observarse de otra forma, como las supernovas o los agujeros negros. Estos últimso son muy difíciles de ver ya que, como su propio nombre indica, son negros y no emiten luz. Además, las ondas gravitacionales aportarán datos sobre la naturaleza de la gravedad que no podría obtenerse de otra forma.

 

Los científicos tienen especial interés en detectar huellas de ondas gravitacionales primordiales, las producidas por el Big Bang en los primeros instantes del Universo. Ese hallazgo sería una prueba de la teoría de la inflación cósmica, según la cual el cosmos habría sufrido una expansión enorme y acelerada en los primeros instantes y que después continuó una expansión pausada. En 2014 un equipo de científicos aseguró haber detectado el rastro que esas ondas primordiales dejaron nos 380.000 años más tarde gracias al telescopio de microondas estadounidense BICEP2, instalado en el polo Sur. Sin embargo habían infravalorado el efecto del polvo que hay en la Vía Láctea y tuvieron que retractarse.

¿De dónde salen las ondas que se han observado?

Las primera detección de ondas gravitacionales se produjo el 14 de septiembre de 2015, aunque la espectacular noticia no se dio a conocer hasta el pasado mes de febrero. Pero esa vibración que agitó el Universo se produjo mucho antes, cuando se fusionaron dos agujeros negros siguados a 1.300 años luz de nuestro planeta. Esos agujeros negros tenían unas masa 29 y 36 veces mayor que la de nuestro Sol, respectivamente. Al unirse crearon un agujero negro de 62 masas solares, es decir, 62 veces mayor que nuestra estrella. ¿Y qué pasó con las tres masas restantes? Fueron irradiadas en forma de energía de ondas gravitacionales.

AgujerosNegrosFusión

Representación de dos agujeros negros fusionándose. SXS

Los investigadores del observatorio LIGO volvieron a “escuchar” las famosas ondas el 26 de diciembre de 2015. También en esa ocasión fueron provocadas por la fusión de dos agujeros negros, aunque estos se encontraban más lejos y eran menos masivos que los primeros. Estaban a 1.400 años luz de la Tierra, y para los despistados recuerdo que un año luz es la distancia que esta recorre viajando a 300.000 kilómetros por hora. Los agujeros negros que se fusionaron en esa ocasión tenían 14 y 8 masas solares y originaron otro único de 21 masas solares. La masa solar que falta ya sabéis en qué se transformó.

 ¿Quién es ese tal LIGO?

Es el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales y fue creado especialmente para cazar a las esquivas ondas gravitacionales. Lo operan el Instituto de Tecnología de California  (Caltech) y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), dos de las instituciones más prestgiosas de Estados Unidos, aunque también lo pueden utilizar sus socios internacionales.

LIGObuena

Interferómetro de Hanford. Caltech/MIT/LIGO Lab

Como se puede observar en la foto, el observatorio está formado por dos brazos de 4 kilómetros de longitud que forman una L. En el interior hay rayos láser con los que se miden de forma exacta los cambios que se producen en el largo de los brazos. Las ondas gravitacionales interaccionan con la materia y comprimen los objetos en una dirección y los estiran en la dirección perpendicular en una proporción ínfima, más o menos 1/1000 del diámetro de un protón. Ese es el principio en el que se basa el funcionmiento de LIGO y por eso el observatorio tiene esa forma: intenta captar la pequeñísima modificación que provoca el paso de ondas gravitacionales en la longitud de los brazos.

¿Cómo funciona?

Para medir la longitud relativa de los brazos, un haz de luz láser es separado en dos en la intersección de los brazos. La mitad de la luz del láser se transmite a un brazo y la otra mitad se desvía al segundo brazo. Cerca del divisor de rayos y al final de cada brazo hay unos espejos suspendidos como péndulos. La luz láser dentro de cada brazo rebota en los espejos y regresa a la intersección, donde interfiere con la luz del otro brazo. Si las longitudes de los brazos no han cambiado, las ondas de luz, al combinarse, se restan completamente  y no se observa nada de luz en la salida del detector.
Interferómetros

Observatorios de ondas gravitacionales. LIGO

Sin embargo, si una onda gravitacional estira un brazo y comprime el otro ligeramente, los dos haces de luz no se restan completamente y se producen patrones de luz en la salida del detector.

Para asegurarse de que lo que se ha detectado es una onda gravitacional, LIGO cuenta con dos interferómetros en Estados Unidos, uno en Hanford, Washington, y otro en Livingston, Louisiana. Las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, así que si lo que se ha captado es una onda gravitacional,  la diferencia en la detección entre los dos interferómetros debería ser de unos 10 milisegundos, teniendo en cuenta la distancia a la que se encuentran. Estudiando es retraso y el que se produce en otros interferómetros situados en otros puntos del planeta se puede determinar la ubicación exacta de la fuente de ondas gravitacionales en el firmamento.

¿Queréis saber más o entenderlo mejor?

  • En este vídeo de LIGO algunos de los principales investigadores dle proyecto explican qué son las ondas gravitacionales y como se produjo su descubrimiento. Está en inglés, pero se entiende bastante bien y emociona ver lo que ha supuesto para ellos esta proeza. https://www.youtube.com/watch?v=wrqbfT8qcBc
  • Si preferís las explicaciones en español podéis ver este otro vídeo de El Mundo. Cuenta estupendamente lo que es la gravedad según la Teoria de la Relatividad y qué son las ondas gravitacionales. Está grabado antes de la primera detección pero eso es irrelevante.
  • La gente de BBC en español explica todo esto que yo os he contado en un vídeo de dos minutos. Muy recomendable.
  • Si queréis más información sobre LIGO en español podéis encontrala en este enlace de la colaboración científica del proyecto.
  • En este otro vídeo de LIGO podéis escuchar como suenan las ondas gravitaconales, seguir su viaje desde hace miles de millones de años luz y ver como funciona el famoso interferómetro LIGO.

 

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2 comentarios en “Las ondas gravitacionales, esas “it girls” de la física

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