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Día histórico: Einstein y la existencia de las ondas gravitacionales. #LIGO #Ciencia

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Ondas gravitacionales: por qué hoy es un día histórico para la ciencia

Ondas gravitacionales: por qué hoy es un día histórico para la ciencia

Desde el principio de los tiempos hemos observado el universo a través de la luz. Casi todo lo que sabemos de él proviene de las ondas electromagnéticas, captadas a través de los telescopios que ven más allá de nuestros ojos. Imagina que encontrásemos otro tipo de ondas para estudiar el cosmos. Ese día ha llegado.

Qué son las ondas gravitacionales

Hace cien años, Albert Einstein estableció que todo lo que tenga energía, aunque no podamos verlo, también gravita. Con su teoría de la relatividad general, Einstein nos hizo entender la gravedad como una deformación geométrica del espacio-tiempo, el “tejido” del que está hecho el universo, por efecto de los cuerpos que se mueven sobre él.

La idea se suele comparar con una cama elástica. Si arrojas una pelota, el lienzo se curvará en mayor o menor medida dependiendo de su peso (más bien, de su masa). Pero además, si nos subimos a la cama elástica con un amigo y empezamos a girar en círculos cogidos de la mano, se producen pequeñas vibraciones que pueden sentirse al otro lado del lienzo flexible. Lo mismo pasó hace 1.300 millones de años, pero en lugar de dos amigos eran dos agujeros negros que colisionaron con una violencia espectacular, y en vez de una cama elástica curvaron el espacio tiempo, desde entonces hasta nuestros días.

Ondas gravitacionales: por qué hoy es un día histórico para la ciencia

Las ondas gravitacionales son las vibraciones que causan esos objetos lejanos. Ondulaciones que pueden propagarse por el espacio-tiempo a la velocidad de la luz. Sólo que la gravedad es una interacción muy débil comparada con otrasinteracciones fundamentales del universo, como las ondas electromagnéticas, así que necesitamos que ocurra un fenómeno de una energía enorme para poder detectar las vibraciones desde la Tierra.

Ésta es la razón fundamental de que haya sido imposible detectarlas pese a varias décadas de esfuerzos experimentales y económicos: para detectarlas debemos ser capaces de medir variaciones extremadamente pequeñas en distancias muy grandes” nos explica Carlos Barceló, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía y experto en gravitación. “Estas ondas solamente las producen en cantidades apreciables fenómenos que involucran grandes aglomeraciones de materia en espacios relativamente reducidos: choques y colapsos estelares, etcétera”.

Hasta ahora sólo habíamos conseguido una prueba indirecta de la existencia de las ondas gravitacionales: la caída del periodo orbital en un púlsar binario (un sistema de estrellas que produce pulsos electromagnéticos en intervalos regulares y que, según las ecuaciones de Einstein, debe producir una fuerte radiación gravitatoria). El descubrimiento de los púlsares binarios, y todo lo que conllevó en el estudio de la gravitación, les valió el premio Nobel de 1993a los físicos Russell Hulse y Joseph Hooton Taylor.

Hoy esa etapa queda atrás. Ahora podemos hablar de la detección directa de ondas gravitacionales y de una nueva era para la física y la astronomía.

¿No las habíamos detectado ya?

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Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales en 1915, pero creía que eran extremadamente débiles e imposibles de encontrar. Tenía razón: sus ideas eran demasiado adelantadas a su tiempo y no teníamos la tecnología necesaria para detectar las ondas. Ni la hemos tenido hasta ahora, cien años después.

A principios de los 90, los físicos consideraron que la tecnología había evolucionado lo suficiente para detectar ondas gravitacionales y empezaron a desarrollar proyectos como el LIGO. Se equivocaron. No fue hasta marzo de 2014 que alguien gritó eureka. Los físicos del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales en la Antártida: provenían del Big Bang. El anuncio fue recibido como el hallazgo del siglo; incluso vimos a uno de los autores de la teoría de expansión del universo brindando entre lágrimas por la confirmación empírica de su teoría.

Pero todo fue una falsa alarma. Un análisis del conjunto de datos por parte de la sonda Planck de la Agencia Espacial Europea y el telescopio BICEP2 de la NASA confirmó que no había pruebas concluyentes para respaldar el descubrimiento. Las ondas gravitacionales fueron confundidas con el polvo interestelar de nuestra galaxia, que puede producir un efecto similar al de las ondas.

Qué ha pasado hoy

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Observatorio del LIGO en Washington

Desde Washington DC, en una rueda de prensa cargada de expectación, los científicos del LIGO han confirmado los rumores que llevan revoloteando desde enero. El equipo ha conseguido detectar las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros, de 36 y 29 veces la masa del Sol respectivamente. “Es uno de los descubrimientos más fundamentales de la historia” nos dice Luis Álvarez-Gaumé, director del grupo de física teórica del CERN. “En unas décimas de segundo en este evento se radiaron el equivalente de tres masas solares en ondas gravitacionales. Es el objeto más energético jamás observado”.

Esta vez parece improbable que sea una falsa alarma. Los investigadores del LIGO llevan meses trabajando para confirmar que esta primera detección de ondas gravitacionales, que ocurrió el 14 de septiembre a las 5:51 am en ambos detectores, es real. El hallazgo tiene un nivel de confianza de 5,1 sigma. Según el estándar científico, supone que hay una posibilidad de error en tres millones.

Qué es el LIGO

El LIGO (siglas en inglés del “Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales”) es un proyecto conjunto del MIT y Caltech, los dos institutos tecnológicos más importantes de Estados Unidos, financiado principalmente por la Fundación Nacional para la Ciencia, una agencia gubernamental. Son dos observatorios funcionando a la vez para poder despreciar las falsas detecciones: uno está en Livingston, Luisiana, y el otro en Richland, Washington.

La primera generación del LIGO empezó a funcionar en 2002 y se apagó en 2010 sin haber detectado ondas gravitacionales. Los observatorios no tenían la sensibilidad suficiente para detectar la débil radiación gravitatoria en un universo en el que los átomos vibran incluso por efecto de la temperatura. Dos agujeros negros que colisionan en una galaxia distante producen en la Tierra unos desplazamientos del orden de una billonésima parte del diámetro de un átomo. Son ondulaciones más pequeñas que un protón.

Se sabía desde el principio de diseño de LIGO que la detección directa de una onda gravitacional requería de unos niveles de sensibilidad sin parangón” comenta Carlos Barceló. En los últimos cinco años, científicos e ingenieros han trabajado en construir un nuevo “LIGO avanzado”, con láseres más potentes y un sistema mejorado para aislar el experimento de las vibraciones del suelo. Comenzó a operar en septiembre de 2015, con cinco veces la sensibilidad del original. Ese mismo mes detectó las ondas de las que hablamos hoy.

Cómo se detectan ondas gravitacionales

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El principio que se usa para detectar las ondas gravitacionales es sorprendentemente simple: si existen, entonces la distancia entre dos puntos debería alargarse y contraerse cada vez que pasa una onda. Y así es: la curvatura del espacio funciona como las fuerzas de marea, pero sólo podemos detectarla cuando ocurre un fenómeno suficientemente enérgico y suficientemente cercano (cuanto más lejos estén los objetos, menos ondas gravitacionales nos llegan).

Para medir estas vibraciones del espacio-tiempo necesitamos usar la luz, cuya velocidad es constante. Cada observatorio del LIGO consta de dos túneles perpendiculares de cuatro kilómetros por los que se disparan láseres muy precisos. Cuando estos túneles son atravesados por una onda gravitatoria, uno se alarga y el otro se contrae. Sabemos que la luz tiene propiedades de onda, así que superponer los dos haces del láser y estudiar sus interferencias nos permite medir las variaciones de los túneles y, dado el caso, detectar las ondas gravitacionales.

No es nada fácil. Es como intentar comprobar si un palo de 1.000.000.000.000.000.000.000 metros se ha encogido o extendido 5 milímetros. Pero hay una barrera aún mayor: el ruido del entorno, especialmente las vibraciones sísmicas de la Tierra. Un terremoto o un simple tren pueden alterar los resultados. Por eso han nacido proyectos paralelos al LIGO, como el satélite LISA Pathfinder de la Agencia Espacial Europea: una antena que intentará detectar ondas gravitacionales en el espacio. También hay otros detectores terrestres como VIRGO en Italia, GEO en Alemania y TAMA en Japón.

Qué va a cambiar con este descubrimiento

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Einstein predijo las ondas gravitacionales hace cien años como parte de una nueva física: la teoría de la relatividad. Los físicos teóricos no han conseguido refutar sus ideas y seguimos usando sus ecuaciones para entender el universo. Ahora por fin sabemos que tenía razón: las ondas gravitacionales existen.

No se trata sólo de la confirmación de algo que ya nos encajaba con matemáticas. El hallazgo abre la puerta al estudio práctico de algunos de los fenómenos más violentos y energéticos del universo. Ya hemos sido capaces de detectar la fusión de dos agujeros negros, pero los astrofísicos también piensan que podemos observar estrellas supergigantes explotando como supernovas, estrellas de neutrones colisionando con otras o restos de radiación gravitacional creados en el origen del universo.

La última es una de las promesas más emocionantes de esta nueva física: la detección de ondas gravitacionales nos abre la puerta al nacimiento del universo y a todo aquello que no podemos ver. En 1798, Laplace ya teorizaba sobre los agujeros negros, una fuerza de gravedad tan fuerte que las partículas de luz no podrían escapar de ella. Eso mismo ocurrió tras el Big Bang hace 13.800 millones de años: la luz no podía escapar de la densidad de aquel universo primitivo y sólo la radiación gravitatoria puede confirmarnos hoy lo que sucedió realmente.

Escuchar los “susurros” del espacio-tiempo abre una nueva física, pero también una nueva astronomía: las ondas gravitacionales nos pueden explicar lo que las ondas electromagnéticas no saben. El equivalente a calcular dónde ha caído la piedra si observamos las ondas concéntricas de un gran estanque.

Por qué es un día histórico para la ciencia

Ondas gravitacionales: por qué hoy es un día histórico para la ciencia

La teoría de Einstein ya nos encajaba, y habíamos detectado ondas gravitacionales indirectamente. Pero ahora sabemos que existen ¿Por qué es tan importante el hallazgo? “Es como si una persona que ha sido ciega desde su nacimiento se operara y pudiera ver” dice Carlos Barceló. “Él sabía que la gente hablaba de la existencia de la Luz, incluso podría conocer las ecuaciones de Maxwell, pero de ahí a ver hay un enorme trecho”.

Nuestra visión del cosmos cambia por completo. En los próximos años conseguiremos “ver” cada vez mejor hasta tener una nueva y desconocida imagen del universo. ¿Cómo opera la gravedad en situaciones extremas, sigue las reglas de la relatividad general o se desvía de ellas? Podríamos empezar a ver las zonas oscuras del universo, que aportan casi tres cuartas partes de su energía. “Habrá sin duda más sorpresas que confirmaciones” concluye Carlos.

Es algo extraordinario” expresa Luis Álvarez-Gaumé. “Ha llegado el momento de hacer física experimental con agujeros negros”.

Imagen: R. Hurt – Caltech / JPL

Fuente: GIZMODO.

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