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Si bien puede que no tenga el nombre más elegante, el evento GW150914 es bastante significativo en términos de nuestra comprensión del Universo. Este evento, con un nombre que incluye GW como prefijo que es una abreviatura de Gravitational Wave y la fecha de observación 15/09/14 marcó la primera detección directa de ondas gravitacionales de la humanidad.

Esto fue innovador en dos frentes; en primer lugar, confirmó con éxito una predicción hecha por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein casi un siglo antes. Una predicción de que los eventos declarados que ocurren en el Universo no solo deforman el espacio-tiempo, sino que, en ciertos casos, pueden enviar ondas a través de este tejido cósmico.

Simulación numérica de dos agujeros negros inspiradores que se fusionan para formar un nuevo agujero negro. Se muestran los horizontes de los agujeros negros, el fuerte campo gravitacional que rodea a los agujeros negros y las ondas gravitacionales producidas (S. Ossokine, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), Proyecto Simulating eXtreme Spacetimes, W. Benger (Airborne Hydro Mapping GmbH)).

El segundo aspecto significativo de esta observación fue el hecho de que representaba una forma completamente nueva de ver el Universo, sus eventos y objetos. Este nuevo método de investigar el cosmos ha dado lugar a una forma de astronomía completamente nueva; astronomía multimensajero. Esto combina las observaciones tradicionales del Universo en el espectro electromagnético con la detección de ondas gravitacionales, lo que nos permite observar objetos que antes eran invisibles para nosotros.

Por lo tanto, el descubrimiento de las ondas gravitacionales realmente abrió una ventana completamente nueva en el cosmos, pero ¿qué son las ondas gravitacionales, qué revelan sobre los objetos que las crean y cómo detectamos esos pequeños temblores en la realidad misma?

Ondas gravitacionales: conceptos básicos

  • Las ondas gravitacionales son ondas en el tejido del espacio-tiempo.
  • Estas ondas viajan desde su fuente a la velocidad de la luz.
  • El paso de las ondas gravitacionales aplasta y estira el espacio mismo.
  • Las ondas gravitacionales se pueden detectar midiendo estos cambios infinitesimalmente pequeños en la distancia entre objetos.
  • Se crean cuando un objeto o un evento que curva el espacio-tiempo hace que esa curvatura cambie de forma.
  • Entre las causas de las ondas gravitacionales se encuentran los agujeros negros en colisión y las estrellas de neutrones, las supernovas y las estrellas que están experimentando un colapso gravitacional.

Fundamentos teóricos

Imagínese sentado a la orilla de un lago, observando en silencio la tranquila superficie del agua sin ser perturbada por la naturaleza, el viento o incluso por la más mínima brisa. De repente, un niño pequeño pasa corriendo arrojando una piedra al lago. La tranquilidad se rompe momentáneamente. Pero, incluso cuando la paz regresa, observa cómo las ondas se extienden desde el centro del lago y disminuyen a medida que llegan a las orillas, a menudo dividiéndose o reflejándose cuando encuentran un obstáculo.

La superficie del lago es una vaga analogía en 2D del tejido del espacio-tiempo, el guijarro representa un evento como la colisión de dos agujeros negros, y nuestra posición en la Tierra es equivalente a una brizna de hierba en la orilla que apenas siente la onda que se ha formado. disminuido enormemente en su viaje hacia nosotros.

Tanto Poincar como Einstein vieron la posibilidad de que las ondas gravitacionales se propaguen a través del espacio-tiempo a la velocidad de la luz.

Las ondas gravitacionales fueron predichas por primera vez por Henri Poincaré en 1905 como perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz, pero los físicos tardarían otros diez años en comprender realmente el concepto. Esto sucedió cuando Albert Einstein predijo el mismo fenómeno como parte de su revolucionaria teoría geométrica de la gravedad de 1916, mejor conocida como relatividad general.

Si bien esta teoría es más conocida por sugerir que los objetos con masa causarían una deformación del espacio-tiempo, también fue un paso más allá al postular que un objeto en aceleración debería cambiar esta curvatura y causar una onda que resonara a través del espacio-tiempo. Tales perturbaciones en el espacio-tiempo no habrían sido permisibles en la visión newtoniana de la gravedad que veía el tejido del espacio y el tiempo como entidades separadas sobre las cuales simplemente se desarrollan los eventos del Universo.

Pero en la etapa dinámica y cambiante de Einstein del espacio-tiempo unido, tales ondas eran permisibles.

Las ondas gravitacionales surgieron de la posibilidad de encontrar una solución ondulatoria a las ecuaciones de tensores en el corazón de la relatividad general. Einstein creía que las ondas gravitacionales deberían generarse en masa por la interacción de cuerpos masivos como los sistemas binarios de estrellas de neutrones súper densas y la fusión de agujeros negros.

La verdad es que tales ondas en el espacio-tiempo deberían ser generadas por cualquier objeto en aceleración, pero los objetos en aceleración vinculados a la Tierra causan perturbaciones que son demasiado pequeñas para detectarlas. Por lo tanto, nuestras investigaciones deben dirigirse a áreas del espacio donde la naturaleza nos proporciona objetos que son mucho más masivos.

A medida que estas ondas se irradian hacia afuera desde su fuente en todas las direcciones y a la velocidad de la luz, transmiten información sobre el evento u objeto que las creó. No solo esto, sino que las ondas gravitacionales pueden decirnos mucho sobre la naturaleza del propio espacio-tiempo.

¿De dónde vienen las ondas gravitacionales?

Hay una serie de eventos que pueden lanzar ondas gravitacionales lo suficientemente poderosas como para que las detectemos con equipos increíblemente precisos aquí en la Tierra. Estos eventos son algunos de los sucesos más poderosos y violentos que el Universo tiene para ofrecer. Por ejemplo, las ondulaciones más fuertes en el espacio-tiempo probablemente sean causadas por la colisión de agujeros negros.

Otros eventos de colisión están asociados con la producción de fuertes ondas gravitacionales; por ejemplo, la fusión entre un agujero negro y una estrella de neutrones, o dos estrellas de neutrones que chocan entre sí.

Pero, un cuerpo cósmico no siempre necesita un compañero para hacer olas. Colapso estelar por explosión de supernova, el proceso que deja restos estelares como agujeros negros y estrellas de neutrones también provoca la producción de ondas gravitacionales.

Una simulación de ondas gravitacionales emitidas por un púlsar binario que consta de dos estrellas de neutrones.

Para entender cómo se producen las ondas gravitacionales, es útil observar los sistemas binarios de púlsares de dos estrellas de neutrones que emiten pulsos regulares de radiación electromagnética en la región de radio del espectro.

La teoría de Einstein sugiere que un sistema como este debería estar perdiendo energía por la emisión de ondas gravitacionales. Esto significaría que el período orbital de los sistemas debería estar disminuyendo de una manera muy predecible.

Las estrellas se juntan porque hay menos energía en el sistema para resistir su atracción gravitacional mutua y, como resultado, su órbita aumenta en velocidad y, por lo tanto, los pulsos de ondas de radio se emiten a intervalos más cortos. Esto significaría que se reduciría el tiempo que tarda la onda de radio en estar directamente frente a nuestra línea de visión; algo que podamos medir.

Esto es exactamente lo que se observó en el sistema Hulse-Taylor (PSR B191316), descubierto en 1974, que se compone de dos estrellas de neutrones que giran rápidamente. Esta observación les valió a Russell A. Hulse y Joseph H. Taylor, Jr., ambos de la Universidad de Princeton, el Premio Nobel de Física de 1993. La razón dada por el Comité Nobel fue: por el descubrimiento de un nuevo tipo de púlsar, descubrimiento que ha abierto nuevas posibilidades para el estudio de la gravitación.

Una animación que ilustra cómo las ondas gravitacionales son emitidas por dos estrellas de neutrones mientras orbitan entre sí y finalmente colisionan (crédito: NASA/Centro de vuelo espacial Goddard).

Aunque indiscutiblemente un logro científico impresionante e importante, todavía era solo evidencia indirecta de ondas gravitacionales. Si bien el efecto que predijo Einstein sobre el acortamiento del giro de los púlsares estaba definitivamente presente, no se trataba de una detección directa real.

De hecho, aunque no estaba vivo para presenciar este logro trascendental, Einstein había predicho que esta sería la única forma en que podríamos obtener algún indicio de ondas gravitacionales. El gran físico creía que esas ondas del espacio-tiempo serían tan débiles que serían imposibles de detectar por cualquier medio tecnológico imaginable en ese momento.

Afortunadamente, Einstein estaba equivocado.

¿Cómo detectamos las ondas gravitacionales?

No debería sorprender que la detección de una onda gravitacional requiera un equipo de tremenda sensibilidad. Mientras que el efecto de las ondas gravitacionales, el aplastamiento y el estiramiento del espacio en sí mismo, suena como algo que debería ser preeminentemente visible, el grado en que ocurre esta perturbación es tan pequeño que es totalmente imperceptible.

Afortunadamente, hay una rama de la física que es bastante experta en tratar con lo diminuto. Para detectar ondas gravitacionales, los investigadores usarían un efecto llamado interferencia, algo que se demostró en el experimento de física cuántica más famoso de todos los tiempos; el experimento de la doble rendija.

Los físicos se dieron cuenta de que se podía usar un interferómetro láser para medir el pequeño aplastamiento y estiramiento del espacio, ya que haría que los brazos del equipo se encogieran en una cantidad mínima. Esto significa que al dividir un láser y enviarlo a través de los brazos de un interferómetro, la compresión del espacio causada por el paso de una onda gravitacional haría que un láser llegara un poco antes que el otro, lo que significa que están desfasados ​​y provocan una interferencia destructiva. Por lo tanto, esta diferencia en los tiempos de llegada provoca una interferencia que indica que las ondas gravitacionales se han propagado por uno de los brazos.

Pero no serviría cualquier interferómetro láser. Los físicos necesitarían un interferómetro tan grande que constituya una hazaña legítima en ingeniería. Ingrese al Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO).

Esquema que muestra cómo funciona LIGO. (Johan Jarnestad/La Real Academia Sueca de Ciencias)

El detector LIGO utiliza dos emisores láser ubicados en los observatorios de Hanford y Livingstone, separados por miles de kilómetros para formar un interferómetro increíblemente sensible. Desde estos emisores, los láseres se envían por los brazos del interferómetro, que en realidad son cámaras de vacío de 4 km de largo.

Esto da como resultado un sistema que es tan sensible que puede medir una desviación en el espacio-tiempo que es tan pequeña como 1/10,000 del tamaño de un núcleo atómico. Para poner esto en un contexto astronómico; ¡Es equivalente a detectar una estrella a una distancia de 4,2 años luz y señalar su ubicación con precisión dentro del ancho de un cabello humano! Esto constituye la medida más pequeña jamás intentada prácticamente en cualquier experimento científico.

Y en 2015, esta laboriosa operación dio sus frutos.

El 14 de septiembre de 2015, la colaboración de LIGO y Virgo detectó una señal de onda gravitacional que emanaba de la espiral y la eventual fusión de dos agujeros negros, uno de 29 veces la masa del Sol y el otro de 36 veces la masa de nuestra estrella. A partir de los cambios en la señal recibida, los científicos también pudieron observar el único agujero negro resultante.

La señal, llamada GW150914, representó no solo la primera observación de ondas gravitacionales, sino también la primera vez que la humanidad vio un sistema binario de agujeros negros de masa estelar, lo que demuestra que tales fusiones podrían existir en la época actual del Universo.

Diferentes tipos de ondas gravitacionales

Desde la detección inicial de ondas gravitacionales, los investigadores han realizado una serie de detecciones importantes y reveladoras. Estos han permitido a los científicos clasificar diferentes tipos de ondas gravitacionales y los objetos que pueden producirlas.

Ondas gravitacionales continuas

Se cree que un solo objeto masivo que gira, como una estrella de neutrones, genera una señal de onda gravitatoria continua como resultado de las imperfecciones en la forma esférica de esta estrella. si la velocidad de giro permanece constante, también lo son las ondas gravitacionales que emite; tiene continuamente la misma frecuencia y amplitud, como un cantante que sostiene una sola nota. Los investigadores han creado simulaciones de cómo sonaría una onda gravitacional continua que llegara si la señal detectada por LIGO se convirtiera en un sonido.

El sonido de una onda gravitacional continua del tipo producido por una estrella de neutrones se puede escuchar a continuación.

(Colaboración SXS)

Ondas gravitacionales inspiracionales binarias compactas

Todas las señales detectadas por LIGO hasta ahora encajan en esta categoría como ondas gravitacionales creadas por pares de objetos en órbita masivos como agujeros negros o estrellas de neutrones.

Las fuentes encajan en tres subcategorías distintas:

  • Agujero negro binario (BBH)
  • Estrella de neutrones binaria (BNS)
  • Estrella de Neutrones-Agujero Negro Binario (NSBH)

Cada uno de estos tipos de emparejamiento binario crea su propio patrón único de ondas gravitacionales, pero comparte el mismo mecanismo general de generación de ondas-inspiración. Este proceso ocurre durante millones de años con ondas gravitacionales que se llevan la energía del sistema y hacen que los objetos se acerquen más y más en espiral hasta que se encuentran. Esto también da como resultado que los objetos se muevan más rápido y, por lo tanto, creen ondas gravitacionales de fuerza creciente.

El chirrido de una eventual fusión entre estrellas de neutrones se ha traducido a ondas de sonido y se puede escuchar a continuación.

Instituto Max Planck de Física Gravitacional
(Instituto Albert-Einstein)

Ondas gravitacionales estocásticas

Pequeñas ondas gravitacionales que incluso LIGO no puede identificar con precisión podrían estar pasando sobre la Tierra desde todas las direcciones en todo momento. Estas se conocen como ondas gravitacionales estocásticas debido a su naturaleza aleatoria. Es probable que al menos parte de esta señal estocástica se haya originado en el Big Bang.

Si finalmente pudiéramos detectar esta señal, nos permitiría ver más atrás en la historia del Universo que cualquier señal electromagnética, hasta la época anterior a que los fotones pudieran viajar libremente por el espacio.

El sonido simulado de esta señal estocástica se puede escuchar a continuación.

(R. Williams (STScI), el equipo de campo profundo del Hubble, NASA)

Dada la variedad de objetos y eventos en el Universo, es muy probable que existan otros tipos de señales de ondas gravitacionales. Esto significa que la búsqueda para detectar tales señales es realmente una exploración de lo desconocido. Afortunadamente, nuestra capacidad para explorar el cosmos se ha visto enormemente potenciada por nuestra capacidad para detectar ondas gravitacionales.

Una nueva era de la astronomía

GW150914 se ajustaba precisamente a las predicciones de la relatividad general, confirmando la teoría más revolucionaria de Einstein casi exactamente seis décadas después de su muerte en 1955. Eso no significa que las ondas gravitacionales hayan terminado de enseñarnos sobre el Universo. De hecho, estas ondas en el espacio-tiempo nos han dado una forma completamente nueva de ver el cosmos.

Antes del descubrimiento de las ondas gravitacionales, los astrónomos estaban restringidos a una vista del Universo pintada con radiación electromagnética y, por lo tanto, nuestras observaciones se han limitado a ese espectro en particular.

Usando solo el espectro electromagnético, los astrónomos han podido descubrir cuerpos astronómicos e incluso la radiación de fondo cósmico de microondas (CMB), una reliquia de uno de los primeros eventos en el universo primitivo, la época de recombinación cuando los electrones se unieron con protones permitiendo así que los fotones para comenzar a viajar en lugar de dispersarse interminablemente. Por lo tanto, el CMB es un marcador del punto en que el universo comenzó a ser transparente a la luz.

Sin embargo, a pesar de los avances que la astronomía tradicional nos ha permitido lograr en nuestra comprensión del cosmos, el uso de la radiación electromagnética está severamente limitado. No nos permite ver directamente los agujeros negros, de los que la luz no puede escapar. Tampoco nos permite ver materia oscura no bariónica ni luminosa, la forma de materia predominante en las galaxias que representa alrededor del 85% de la masa total del universo. Como sugiere el término no luminoso, la materia oscura no interactúa con el espectro electromagnético, ni absorbe ni emite luz. Esto significa que las observaciones en el espectro electromagnético por sí solas nunca nos permitirán ver la mayor parte de la materia del universo.

Claramente, esto es un problema. Pero uno que puede evitarse utilizando el espectro de ondas gravitacionales, ya que tanto los agujeros negros como la materia oscura tienen efectos gravitatorios considerables.

Las ondas gravitacionales también tienen otra ventaja significativa sobre la radiación electromagnética.

Esta nueva forma de astronomía mide la amplitud de la onda viajera, mientras que la astronomía de ondas electromagnéticas mide la energía de la onda, que es proporcional a la amplitud de la onda al cuadrado.

Por lo tanto, el brillo de un objeto en la astronomía tradicional viene dado por 1/distancia, mientras que el brillo gravitatorio se reduce en solo 1/distancia. Esto significa que la visibilidad de las estrellas persiste en las ondas gravitatorias a una distancia mucho mayor que la que persiste el mismo factor en el espectro electromagnético.

Por supuesto, nada de esto sugiere que la astronomía de ondas gravitacionales reemplazará a la astronomía de espectro electromagnético tradicional. De hecho, los dos son más poderosos cuando están unificados en una nueva y emocionante disciplina, la astronomía multimensajero.

Fuentes y lecturas adicionales

Mayor. M., Ondas gravitacionales: teoría y experimentos, Oxford University Press, [2019]

Mayor. M., Ondas gravitacionales: astrofísica y cosmología, Oxford University Press, [2019]

Collins. H., Gravitys Kiss: La detección de ondas gravitacionales, MIT Press, [2017]

Mira más profundo, LIGO, [https://www.ligo.caltech.edu/page/look-deeper]

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