La detección de LIGO es la medición más precisa jamás realizada en la historia de la humanidad y marca cinco hitos para la física.
El 11 de febrero, 2016, la National Science Foundation en EE.UU. anunció la detección de ondas gravitacionales por el Observatorio del Interferómetro Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO por sus siglas en inglés), un par de observatorios terrestres, uno en Livingston, Luisiana, y el otro en Hanford, Washington.
Fue un evento histórico que ha llevado a los astrónomos a llamar a este “el siglo de la astronomía de ondas gravitacionales.”
La detección de LIGO es la medición más precisa jamás realizada en la historia de la humanidad y marca cinco hitos para la física como la primera detección de:
- ondas gravitacionales,
- un agujero negro,
- un sistema binario de agujeros negros,
- la fusión de agujeros negros, y
- un agujero negro girando.
Hace un siglo, Albert Einstein postuló la existencia de ondas gravitacionales.
En 1916, hace un siglo, Albert Einstein postuló la existencia de ondas gravitacionales como parte de su teoría de relatividad general. La evidencia directa de estas ondas era la última predicción de la teoría de relatividad general de Einstein que faltaba ser observada.
Einstein predijo que las masas deforman el espacio-tiempo, ese ambiente difícil de visualizar que combina el tiempo con nuestro espacio familiar de tres dimensiones (longitud, ancho y profundidad). El cambio de posición de un objeto masivo causará una distorsión en la red de cuatro dimensiones de espacio-tiempo. Esta distorsión u ola debida a la reacción del espacio-tiempo se propagará a la velocidad de la luz, resultando en ondas gravitacionales, similares a las ondas sísmicas en la corteza terrestre producidas por un terremoto.
Debido a las enormes distancias entre nosotros y las posibles fuentes de ondas gravitacionales, Einstein supuso que las ondas gravitacionales serían muy débiles para poder ser detectadas. De hecho, la propia detección de ondas gravitacionales es un avance tecnológico sin precedente, logrado con uno de los sistemas de detección más complejos que jamás se hayan construido.
Una interpretación artística del espacio-tiempo cerca de la Tierra. Imagen de NASA Science News.
Cada uno de los observatorios gemelos es un túnel con forma de L que alberga a un detector ultrasensible desarrollado por el California Institute of Technology (Caltech) y el Massachusetts Institute of Technology (MIT). Cada brazo del túnel con forma de L consiste en capas de acero y concreto, y en un interior de nada: 2.5 millones de galones de espacio vacío. Al final de cada brazo hay un espejo que cuelga de fibras de vidrio, aislándolo completamente del medio ambiente.
Uno de los observatorios gemelos, este en Livingston, LA.
Observatorio en Hanford, WA. Imágenes de ligo.caltech.edu.
En cada uno de los observatorios de LIGO, un rayo láser es dividido en dos y cada uno de ellos viaja en cada brazo. Los rayos láser regresan a la intersección de los brazos. Cuando ondas gravitacionales llegan a la Tierra, estas hacen que los brazos de los observatorios se extiendan, y esto crea un diferencia increíblemente pequeña en las distancias de los espejos. LIGO detecta esta diferencia.
LIGO puede detectar un cambio en la distancia entre sus espejos de un 1/10,000th del ancho de un protón.
LIGO puede detectar un cambio en la distancia entre sus espejos de un 1/10,000th del ancho de un protón. Esta precisión es equivalente a medir la distancia a la estrella más cercana con una precisión del ancho de un pelo de ser humano, o equivalente a medir la expansión y contracción de toda nuestra galaxia, la Vía Láctea, con la precisión del ancho de un dedo pulgar.
Por lo menos dos detectores son necesarios para evitar positivos falsos causados por vibraciones locales tales como terremotos, tráfico, aviones, o eventos relacionados con el clima, entre otros. La gran distancia entre los observatorios gemelos es necesaria para determinar la dirección de la fuente de ondas gravitacionales y también verificar que las señales vienen del espacio en lugar de algún evento local.
Antes que el sistema de detección de LIGO pudiese ser diseñado y construido, los físicos y astrónomos necesitaban saber cómo serían las ondas gravitacionales y cómo podrían ser detectadas. Los científicos se basaron en las simulaciones realizadas por supercomputadoras para predecir el intervalo de frecuencias e intensidades de las ondas gravitacionales. La información de entrada para la simulaciones de supercomputadoras son las soluciones matemáticas de las ecuaciones gravitacionales de Einstein. La información de salida de las simulaciones son las características medibles de las ondas, tales como su intensidad y su frecuencia.
Unos 40 años después de que Einstein publicó sus ecuaciones gravitacionales para su teoría de relatividad general, un avance matemático fue logrado en Texas. Roy Kerr, un académico posdoctoral de matemáticas de la Universidad de Texas en Austin, encontró la solución de la ecuación gravitacional de Einstein para un objeto masivo girando. En física y astronomía, un agujero negro girando es conocido como un agujero negro de Kerr. El trabajo matemático de Kerr es la base de las simulaciones actuales con supercomputadoras que llevaron a la detección de ondas gravitacionales por LIGO.
El 14 de septiembre, 2015, el sistema de detección de LIGO apenas acababa de ser calibrado cuando una ruidosa señal llegó a través de la instalación en Livingston. Los datos estaban llegando, y después “Pum.” Siete milisegundos más tarde, una señal fue detectada en la instalación de Hanford. Después de meses de analizar los datos, lo cual incluyó la eliminación de ruido y comparaciones detalladas de predicciones con simulaciones de computadoras de objetos masivos en movimiento, el equipo científico determinó que las ondas gravitacionales fueron generadas por dos agujeros negros a una distancia de 1.3 billones de años luz de nosotros, en alguna región más allá de la galaxia de la Nube Mayor de Magallanes en el cielo del hemisferio sur.
Los dos agujeros negros son 30 veces más masivos que nuestro Sol.
Los dos agujeros negros son 30 veces tan masivos como nuestro sol, orbitándose uno al otro a la velocidad de la luz antes de chocar y liberar una cantidad enorme de energía equivalente a aproximadamente tres masas solares. Si esas tres masas solares fueran convertidas a luz visible, serían equivalente al brillo de mil millones de trillones de soles. En otras palabras, la potencia recibida en forma de ondas gravitacionales en LIGO es 50 veces más grande que la liberada por todas las estrellas en el universo combinadas.
Así como el sonido y las ondas electromagnéticas (luz), la ondas gravitacionales cubren un intervalo de frecuencias. Algunas de esas frecuencias coinciden con el intervalo de las ondas de sonido. En este sentido podemos escuchar ondas gravitacionales. Podemos escuchar al universo. Durante siglos hemos estado observando el universo a través de luz. Ahora también podemos escucharlo.
Las simulaciones de computadoras indican que conforme dos agujeros negros se acercan en espiral uno hacia el otro, la frecuencia de las ondas gravitacionales generadas aumenta. Los científicos llaman a estos sonidos “gorgojeos”, porque para los humanos esos sonidos se escucharían como gorgojeos de un pájaro. Es realmente impresionante escuchar los sonidos registrados por LIGO. (Ver el video al principio de este artículo.)
Hay otros objetos masivos aparte de los agujeros negros que pueden generar ondas gravitacionales. Estos incluyen supernovas, pulsares y estrellas de neutrones. El parámetro observacional clave que nos indica la naturaleza de la fuente de ondas gravitacionales es la frecuencia de las ondas. La frecuencia de las ondas detectadas por LIGO indicaron que los objetos masivos, uno orbitando al otro, eran agujeros negros.
Ondas gravitacionales producidas por dos agujeros negros en órbita uno con respecto al otro. K. Thorne (Caltech)/ T. Carnahan (NASA GSFC).
Dr. Reiner Weiss, profesor emérito del MIT ofrece esta analogía:
¿Usted sabe lo que es un glissando? Es cuando uno recorre con los dedos muy rápidamente a través de las teclas. Si usted empieza en la parte inferior de un teclado y sube hasta la C media y entonces mantiene ese nota por un momento – ahí es donde esta señal de agujero negro se encuentra …
Hay todo un espectro de ondas gravitacionales. Con LIGO estamos buscando las ondas de frecuencia alta porque lo que estamos buscando son fuentes que van desde la parte inferior del piano hasta la parte superior del piano. No se detienen en la C media, lo cual es nuestro límite actual de detección con LIGO. Hay frecuencias más altas.
Las ondas gravitacionales fueron detectadas indirectamente en 1974.
Las ondas gravitacionales no solo fueron predichas por Einstein en su teoría de relatividad general sino que también fueron detectadas indirectamente en 1974 cuando Joseph Taylor, Jr. y Russell Hulse descubrieron un pulsar orbitando a una estrellas de neutrones y observaciones posteriores mostraron que la órbita del pulsar se estaba contrayendo en relación precisa con la pérdida de energía debido a ondas gravitacionales descrito por la teoría de relatividad general de Einstein – un descubrimiento por el cual Taylor y Hulse recibieron en Premio Nobel de Física en 1993.
Algunos científicos consideran que la detección de ondas gravitacionales es tan importante como el descubrimiento del bosón subatómica Higgs, algunas veces llamado la partícula de “dios”. Algunos otro la consideran ser mucho más importante, equiparándola al momento cuando Galileo usó su telescopio por primera vez y observó a los planetas en nuestro sistema solar.
Durante siglos hemos observado al universo simplemente a través de luz, lo cual nos ha limitado a ver tan solo un 5% del universo. La ondas gravitacionales acarrean información completamente diferente acerca de fenómenos en el universo. Hemos abierto una nueva manera de escuchar a un canal de transmisión el cual nos permitirá descubrir fenómenos nunca antes observados.
Ondeamos y sentimos la onda: “Pum”.
[La astrónoma y artista Cecilia Colomé obtuvo su doctorado en astrofísica de la Universidad de Texas en Austin. Cecilia también edita libros de ciencias y de matemáticas y es una de las editoras contribuyentes de The Rag Blog donde ella coordina The Rag Blog en español. Cecilia, también una consumada artista, creció en Mérida, la capital del estado de Yucatán, México, y ahora vive y trabaja en Austin, Texas.]
Excelente artículo. No es frecuente encontrar que, como lo hace Cecilia Colome, alguien pueda expresar en forma clara y sencilla, pero al mismo tiempo con tanta precisión y sin perder rigor científico, temas tan complicados como el de las ondas gravitacionales.
Cecilia nos contagia de su pasión por la ciencia.