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ONDAS GRAVITACIONALES: ¿POR QUÉ SON TAN IMPORTANTES PARA LA ASTRONOMÍA?

02 Mar
ONDAS GRAVITACIONALES: ¿POR QUÉ SON TAN IMPORTANTES PARA LA ASTRONOMÍA?

El 11 de febrero de este año y tras meses de exhaustivas verificaciones, el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), en EE UU, ha hecho pública la detección de las ondas producidas por la fusión de dos agujeros negros. Es la primera vez que se ha podido detectar una onda gravitacional de forma directa. Este anuncio ha provocado una gran conmoción en la comunidad científica mundial así como muchas noticias en los medios de comunicación y redes sociales. En Astromallorca hemos querido hacernos eco de esta gran noticia que va a revolucionar y expandir el conocimiento de nuestro universo conocido.

Una vez más, Einstein tenía razón

Hace 100 años, Albert Einstein publicaba la teoría de la relatividad general que supuso una revolución en la concepción del Universo. Junto a la teoría especial de la relatividad que establece una nueva concepción del espacio, el tiempo, la masa y la energía, la teoría general de la relatividad reformula el concepto de gravedad.

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Albert Einstein en su despacho en 1920

Según esta teoría, un objeto, por el hecho de tener masa deforma el espacio-tiempo circundante y es el efecto de esta deformación lo que percibimos como una atracción mutua entre dos objetos masivos. En otras palabras, un observador que vea desde lo lejos una masa muy grande como es el caso de una estrella o un planeta, verá como el espacio y el tiempo se acortan en la cercanía de dicha masa. Si una hormiga, caminara sobre un papel arrugado (el espacio-tiempo deformado), tendrá la sensación de que hay fuerzas misteriosas que la empujan hacia diferentes direcciones, pero lo único que existe son pliegues en el papel, su geometría.

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Ilustración de cómo se deforma el espacio-tiempo por efecto de la gravedad de un planeta

Gracias a la observación de la curvatura de la luz al pasar junto al sol aprovechando un eclipse total en 1919, Einstein pudo demostrar que su teoría era cierta ya que no sólo demostraba que la luz se curvaba sino que lo hacía según el modelo de la teoría general de la relatividad. Desde entonces se han podido observar otros fenómenos relativísticos como la variación de la masa de las partículas viajando cerca de la velocidad de la luz en los aceleradores de partículas así como las correcciones temporales que hay que introducir en el sistema de navegación GPS a causa de la velocidad de sus satélites y por la deformación del espacio tiempo causada por la propia gravedad de la tierra.

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En 1919 Einstein saltó a la fama mundial al demostrar la curvatura de la luz por efecto de la gravedad aprovechando un eclipse total de sol

Pero todavía no se había podido detectar directamente cómo se propaga la gravedad en el espacio-tiempo. Según el modelo definido por Einstein, la gravedad se propaga a la velocidad de la luz siguiendo las perturbaciones provocadas por la masa que la genera. Las mediciones realizadas por el observatorio LIGO coinciden totalmente con el modelo definido por la relatividad general. Una vez más, ¡Einstein tenía razón!

¿En qué consisten?

En nuestro universo se producen fenómenos como el nacimiento, colapso y explosión de estrellas. También se producen colisiones entre ellas o entre agujeros negros. Estos cataclismos provocan variaciones gigantescas de sus masas en espacios de tiempo muy cortos que a su vez provocan alteraciones de la gravedad del entorno. Estas alteraciones gravitatorias se propagan a lo largo y ancho del universo en forma de ondas que viajan a la velocidad de la luz.

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Estas ondas gravitacionales se propagan ensanchando el espacio en una dirección y alargándolo en la otra. Y es esta deformación lo que se detecta en un observatorio de ondas gravitatorias.

¿Cómo se han detectado?

LIGO es un gran instrumento óptico de precisión desarrollado por los institutos tecnológicos de California (Caltech) y Massachusetts, (MIT) y la Colaboración Científica en la que participan unos 1.000 investigadores de 15 países, incluida España. Dentro de la contribución española, cabe destacar la participación del Grupo de Relatividad y Gravitación de la UIB. La instalación consta de dos detectores láser con forma de L. Cada brazo de esa L es un tubo de ultra alto vacío de  cuatro kilómetros. Hay dos detectores idénticos, uno en Luisiana y otro a 3.000 kilómetros en el estado de Washington.

Cada detector tiene un sistema de aislamiento activo de las vibraciones sísmicas y antropogénicas (tráfico, etc).

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Cada instrumento en forma de L contiene una luz láser que se divide en dos haces (ver rayos azul y rojo en la figura de abajo) que se reflejan en sendos espejos situados en los extremos de los tubos.

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La luz reflejada en los espejos se vuelve a combinar cuando vuelve al origen. Al combinarse estos rayos, como provienen de la misma fuente, se cancelan formando un patrón de interferencias característico. Si una onda gravitatoria acorta o alarga la longitud de los brazos, el patrón de interferencias se modifica siguiendo esta deformación permitiendo medir alteraciones de una diezmilésima parte del diámetro de un átomo a lo largo de 4 quilómetros, la medición más precisa jamás lograda por un instrumento científico, según LIGO.

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Patrón de interferencias típico de luz monocrómatica coherente (LASER)

Las ondas gravitacionales detectadas por LIGO provienen de la colisión de dos agujeros negros, uno veintinueve veces más grande que el Sol y el otro con un tamaño treinta y seis veces mayor, que crearon un nuevo agujero de una magnitud equivalente a sesenta y dos veces la masa de la estrella solar

¿Y ahora qué? Astronomía de ondas gravitacionales

La observación directa de ondas gravitacionales abre una nueva era en el conocimiento del universo. Hasta ahora toda la información que tenemos del cosmos (solo conocemos el 5%) es por la luz en sus diferentes longitudes de onda: visible, infrarroja, ondas de radio, rayos X, etc. Con las ondas electromagnéticas se puede recibir información del Universo cuando tenía una edad de 300.000 años mientras que con las ondas gravitatorias se pueden ver las que se emitieron cuando el Universo “tenía apenas un segundo de edad”. Al contrario que la radiación electromagnética (“luz”), nada absorbe o refleja las ondas gravitacionales, por lo que podemos “ver” a través de los objetos que se encuentren entre la Tierra y el otro extremo del universo.

La intensidad y la frecuencia de las ondas permitirá reconstruir qué sucedió en el punto de origen, si las causó una estrella o un agujero negro, qué propiedades tienen esos cuerpos y entender mejor las tempestades en el espacio-tiempo causadas por cataclismos estelares. También permitirán saber si la Teoría General de la Relatividad se mantiene vigente en los rangos de presión y gravedad más intensos que pueden concebirse.

La búsqueda de ondas gravitatorias no ha hecho más que empezar. Con la configuración actual, LIGO puede ver a una distancia de unos 1.000 millones de años luz de la Tierra. El equipo va a hacer nuevas mejoras tecnológicas para aumentar su sensibilidad. En otoño de 2016 se espera que comience a funcionar una versión mejorada de VIRGO, el detector europeo que debería captar señales idénticas a LIGO. La Agencia Espacial Europea ya prepara LISA un observatorio espacial de ondas gravitacionales.

Para los aficionados a la astronomía de Astromallorca, este hito ha supuesto un acontecimiento emocionante que va a permitir conocer mejor nuestro universo, contestar muchas preguntas y plantear otras nuevas, estimulando el afán de conocimiento del ser humano.

Jorge Calvin (Socio de Astromallorca)

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