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Ondas gravitatorias
Nuevos ojos para observar el universo
En este artículo Walter Barón nos ayuda a entender por qué es importante conocer el funcionamiento de las ondas gravitatorias, que nos permiten develar aspectos desconocidos del funcionamiento del universo, como por ejemplo los primeros instantes posteriores al Big Bang.

El legado de Einstein: la reinterpretación del espacio y el tiempo
Para entender qué significa una onda gravitacional debemos primero comprender cuál  es la interpretación actual de la Física sobre el espacio y el tiempo.
La concepción más ampliamente difundida sobre la gravedad es la propuesta por Newton, en la cual el espacio es pensado como una red tridimensional rígida donde uno puede colocar objetos (estrellas, planetas, manzanas, etc.) que generan un campo gravitatorio. Este´ puede pensarse como una especie de campo de fuerza invisible similar al que se siente al acercar dos imanes, sólo que a diferencia de estos últimos que poseen dos polos y la fuerza puede ser atractiva o repulsiva, en el caso de la gravedad sólo puede ser atractiva. El tiempo en cambio posee una naturaleza universal completamente desacoplada del espacio, avanza con el mismo ritmo para todos los observadores.
La concepción actual debida a Einstein en cambio entiende al espacio y al tiempo no como algo rígido sino que cobran vida propia. El espacio-tiempo forma una especie de membrana cuatridimensional que puede doblarse, curvarse, estirarse y contraerse. La noción de un campo invisible para explicar las interacciones gravitatorias es abandonada. Según la Teoría de la Relatividad General de Einstein, el sol no crea un campo gravitatorio que hace girar a la tierra o hace caer una manzana en la cabeza de los físicos sino que el sol deforma el espacio-tiempo, lo curva como lo hace un chico sobre la superficie de una cama elástica, y la tierra simplemente avanza en forma libre, es decir sin sentir ninguna fuerza a través de un espacio curvado.
La materia deforma al espacio-tiempo y este último le dice a la materia cómo debe moverse. Esta interpretación elegante donde el espacio-tiempo juega un rol de igual a igual con la materia e interactúa con esta de una forma intrincada no es simplemente una forma alternativa pero equivalente de interpretar a la gravedad de Newton, sino que tiene consecuencias profundas. Más allá de explicar correcciones a las órbitas de Mercurio que planteaban una inconsistencia con la formulación anterior, la nueva predice que incluso partículas no masivas, como los fotones que componen la luz, sufren un efecto gravitatorio y más aún que dependiendo del tipo de energía que esté en juego, la gravedad no siempre será atractiva, de hecho sabemos hoy que el universo se está expandiendo en forma acelerada lo que significa que a gran escala la gravedad produce un efecto de repulsión.
Otro tipo de fenómeno que sólo puede ocurrir en la Gravedad de Einstein es la producción de ondas gravitatorias, perturbaciones de la membrana que forma el espacio tiempo similares a aquellas que se observan en un estanque al arrojar una piedra. Estas ondas fueron predichas por Einstein hace exactamente 100 años y ya en ese entonces entendió que la amplitud de dichas ondas debería ser extremadamente débil como para poder ser observada en ese momento. En efecto, dado que la amplitud de una onda decrece como la inversa de la distancia a la fuente, si uno considera un proceso donde la energía de dichas perturbaciones fuese equivalente a la de diez soles y la fuente se encontrase en una galaxia cercana se esperaría observar una amplitud del orden de a lo máximo 10-17.

Definitivamente existen!
Desde el principio hubo gran controversia sobre la real existencia de dichas ondas y de hecho no fue sino hasta la conferencia de Chapel Hill de 1957 que hubo un consenso general en la comunidad física a favor de su existencia. Desde entonces se han diseñado diferentes mecanismos para detectar dichas ondas directa o indirectamente. Hasta ahora sólo se había podido probar su existencia por métodos indirectos. Si uno considera dos cuerpos celestes muy masivos y próximos entre sí orbitando estos emitirán ondas gravitatorias las cuales llevarán consigo energía y como resultado habrá´ una disminución en el período de sus ´orbitas. Si bien podría ser muy difícil medir de forma directa las ondas emitidas por dicho sistema, si uno se arma de paciencia y observa al sistema un tiempo suficientemente largo las pequeñas variaciones se irán acumulando hasta poder ser finalmente medibles y contrastadas con los cálculos predichos por la Relatividad General.

En el año 1974 Joseph H. Taylor y su estudiante Russell A. Hulse estaban realizando una búsqueda sistemática de púlsares, es decir estrellas de neutrones pulsantes. Estos objetos celestes son muy diferentes a los que estamos acostumbrados a ver y son el resultado de la explosión de una estrella super gigante, una supernova. Como su nombre lo indica, están compuestos básicamente de neutrones y por tanto poseen una densidad asombrosamente alta. Su masa es de entre 1 y 3 soles como el nuestro pero compactado a un radio de 11 Km. Estos objetos además emiten un pulso periódico debido al gigantesco campo magnético generado por electrones y protones girando a 70.000 Km/s sobre su superficie. Tal es su importancia que ese mismo año se le estaba entregando el Nobel de Física a Antony Hewish por el descubrimiento del primer púlsar. Pero había algo nuevo en el destello del hallado ese mismo año por Taylor y Russell lo cual pudo explicarse perfectamente suponiendo que era un sistema binario compuesto por dos estrellas de neutrones. Este descubrimiento ofreció la posibilidad de realizar varios test a la Relatividad General, en efecto si bien las órbitas registradas distaban mucho de las predichas por Newton estaban en perfecto acuerdo con las de la teoría de Einstein, pero definitivamente lo más relevante era que las variaciones en el período del sistema (tan sólo unos 7,2×10-15 segundos por año) coincidían exactamente con las predichas debido a la emisión de ondas gravitatorias, valiéndoles el Nobel de Física del año 1993.

¿Por qué nos interesa detectarlas directamente?
Hasta ahora contábamos con un solo mecanismo para observar el cosmos, la detección de ondas electromagnéticas. Las primeras observaciones se limitaban al estudio de la luz visible, es decir aquello que podemos observar con el ojo desnudo o con la ayuda de un telescopio (esto es, longitudes de onda comprendidas entre 390 y 750 nm[1]). Con ´estas hemos aprendido muchas cosas sobre el universo, incluso hasta de qué están hechas la estrellas. Sin embargo una gran revolución dio lugar cuando comenzamos a dominar otros sectores (otras longitudes de onda) del espectro electromagnético, gracias a los cuales fuimos capaces de observar púlsares, quásares, agujeros negros gigantes en los centros de galaxias, agujeros negros en Binarias de rayos X y la radiación cósmica de fondo entre otras. Así es que cada sector del espectro nos da una información diferente, muchas veces complementaria pero algunas veces incluso es la única información a la que podemos acceder. Contar con otra fuente de información, como son las ondas gravitatorias, nos da nuevos ojos para observar el universo y nos permite conocer aspectos que antes nos eran vedados, entre ellos tal vez uno de los más fascinantes es que podemos tener información directa de los primeros instantes posteriores al Big Bang hace 13,8 mil millones de años que nos podrían ayudar a comprender algunos enigmas aun no resueltos como ser la increíble homogeneidad del espacio-tiempo a gran escala. Recordemos que con el estudio del espectro electromagnético sólo somos capaces de observar en forma directa hasta 380.000 años posteriores al Big Bang cuando la luz se desacopló de la materia ya que anterior a esta fecha el universo era opaco a este tipo de radiación.

Observación directa

Los intentos por obtener una observación directa de estas ondas comenzaron 50 años atrás con detectores de masas resonantes. Hoy en día hay una gran variedad de experimentos con el mismo fin, como interferómetros, detectores satelitales, Radio-observaciones y análisis de perturbaciones en la radiación cósmica de fondo. El 11 de febrero de 2016 fue oficialmente anunciada la detección de ondas gravitatorias por el proyecto LIGO en los Estados Unidos. Sus interferómetros, compuestos por dos brazos en forma de L cada uno de 4 Km de largo detectaron el 14 de septiembre de 2015 una variación en su longitud consistente con el paso de una onda gravitacional. El principio de funcionamiento del interferómetro es muy sencillo, el paso de la onda estira al espacio, lo que produce un cambio en la longitud de los tubos del interferómetro, por tanto si se disparan dos laser en fase y en simultáneo, uno en cada uno de los brazos y se comparan al regresar sufrirían un desfasaje. Lo que no es nada sencillo es lograr la increíble precisión con la que trabajan estos laboratorios, los cuales son capaces de medir una variación en la longitud de los tubos de 4 Km de apenas una diezmilésima del tamaño de un núcleo atómico.

Las perturbaciones observadas se pueden modelar perfectamente con una onda gravitatoria producida por el colapso de dos cuerpos extremadamente masivos orbitando entre s´ı para formar un agujero negro con una masa del orden de 62 masas solares. Este descubrimiento es realmente un hito en sí en la historia de la física y abre camino a una rama totalmente inexplorada, la astronomía de telescopios gravitacionales.

La conservación del momento angular es la responsable del aumento de la velocidad de giro que experimenta una bailarina que cierra sus brazos mientras gira. Algo similar ocurre cuando los cuerpos orbitantes se van acercando, su velocidad angular aumenta hasta que finalmente se produce la colisión. Lo peculiar del proceso detectado por LIGO es que la frecuencia aumentó en tan sólo 8 ciclos de 35 a 150Hz. Si uno intenta calcular qué sistema es capaz de girar con solamente la mitad del pico, es decir 75 Hz, lo que equivale a 75 vueltas por segundo, ocurre que dichos cuerpos deberían estar realmente muy próximos entre sí. En efecto la distancia entre los centros de ambos cuerpos debería ser del orden de 300 Km, sin embargo estrellas muy masivas no pueden acercarse lo suficiente debido a que colapsarían antes. Esto nos deja con objetos extremadamente compactos, pero las estrellas de neutrones si bien podrían acercarse no pueden superar las tres masas solares y recordemos que el sistema supera las sesenta. La única explicación consistente y compatible con las observaciones es entonces que hemos sido capaces de observar por primera vez la colisión de dos agujeros negros.

 

Autor: Walter H. Baron, Doctor en Física . Investigador Asistente en el CONICET en el Instituto de Física de La Plata (IFLP) , docente del Departamento de Física (UNLP).

 


[1] un nanómetro (1nm) es igual a 10-9m.

 

Actualizado el 21/04/2016