Primera detección directa de las ondas gravitatorias

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Artículo publicado por Jennifer Chu el 11 de febrero de 2016 en MIT News

La señal de LIGO revela la primera observación de dos agujeros negros masivos colisionando, demostrando que Einstein acertó en su predicción.

Hace hoy casi 100 años, Albert Einstein predijo la existencia de las ondas gravitatorias — ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo que se generaron durante unos cataclismos cósmicos extremadamente violentos en los inicios del universo. Con su conocimiento del universo, y la tecnología disponible en 1916, Einstein supuso que esas ondulaciones sería “extremadamente pequeñas” y casi imposibles de detectar. Los descubrimientos astronómicos y los avances tecnológicos durante el último siglo han cambiado estas expectativas.

Ahora, por primera vez, científicos de la colaboración LIGO — con un destacado papel de científicos del MIT y Caltech — han observado directamente las ondulaciones de las ondas gravitatorias usando un instrumento terrestre. Al hacer esto, han confirmado de nuevo la Teoría General de la Relatividad de Einstein, y abren una nueva forma de observar el universo.

Fusión de dos agujeros negros

Fusión de dos agujeros negros Crédito: Simulating eXtreme Spacetimes

Pero hay mucho más: los científicos también han decodificado la señal de la onda gravitatoria para determinar su fuente. De acuerdo con sus cálculos, la onda gravitatoria es el producto de la colisión de dos agujeros negros masivos a 1300 millones de años luz de distancia — un acontecimiento notablemente extremo que no se había observado hasta ahora.

Los investigadores detectaron la señal con LIGO — unos detectores gemelos cuidadosamente construidos para detectar unas vibraciones increíblemente minúsculas que se producen al paso de las ondas gravitatorias. Una vez que los investigadores obtuvieron la señal gravitatoria, la convirtieron a ondas de audio y escucharon el sonido de dos agujeros negros orbitándose entre sí, y luego fusionándose en un agujero negro mayor.

“Estamos realmente escuchando este evento casi sobrenatural”, comenta Matthew Evans, profesor adjunto de física en el MIT. “Captamos la señal cuando llega a la Tierra, y la podemos poner en un altavoz, y podemos oír estos agujeros negros. Hay una conexión muy profunda con esta observación. Realmente estás escuchando estas cosas que antes se consideraban una fantasía”. [Debajo, el audio de la señal, conocido como chirp]

Analizando en mayor detalle la señal, el equipo pudo rastrear los milisegundos finales antes de que colisionaran los agujeros negros. Determinaron que los agujeros negros, de 30 veces la masa de nuestro Sol, orbitaban entre sí casi a la velocidad de la luz antes de fusionarse en una colisión que emitió una descomunal cantidad de energía, equivalente a tres veces la masa de nuestro Sol — de acuerdo con la ecuación de Einstein E=mc2 — en forma de ondas gravitatorias.

“La mayor parte de esta energía se liberó en apenas unas décimas de segundo”, explica Peter Fritschel, científico jefe del detector de LIGO e investigador científico senior en el Instituto Kavli para Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. “Durante un breve lapso de tiempo, la energía real en ondas gravitatorias superó a toda la luz visible del universo”.

Estas onda se extendieron por todo el universo, curvando el tejido del espacio-tiempo, antes de pasar a través de la Tierra más de 1000 millones de años después como tenues restos de sus antiguos y violentos orígenes.

Laboratorio LIGO en Louisiana

Detector en forma de L de LIGO en Louisiana Crédito: LIGO Laboratory

“Es una señal espectacular”, apunta Rainer Weiss, profesor emérito de física en el MIT. “Es una señal que muchos de nosotros hemos querido observar desde que se propuso el proyecto LIGO. Demuestra la dinámica de los objetos en los campos gravitatorios más fuertes imaginables, un dominio donde la gravedad de Newton no existe, y se necesitan las ecuaciones de campo no lineales de Einstein para explicar el fenómeno. El triunfo es que la forma de la onda que medimos está perfectamente representada por las soluciones de estas ecuaciones. Einstein acertó en un dominio donde su teoría aún no se había puesto a prueba”.

Los nuevos resultados se publican en la revista Physical Review Letters.

“Alineamiento asombroso”

La primera prueba de las ondas gravitatorias llegó en 1974, cuando los físicos Russell Hulse y Joseph Taylor descubrieron un par de estrellas de neutrones a 21 000 años luz de la Tierra, que parecían seguir un curioso patrón. Dedujeron que las estrellas se orbitaban entre sí de tal modo que debían estar perdiendo energía en forma de ondas gravitatorias — una detección que le valió a los investigadores en Premio Nobel de Física de 1993.

Ahora, LIGO ha realizado la primera observación directa de ondas gravitatorias con un instrumento en la Tierra. Los investigadores detectaron las ondas gravitatorias el 14 de septiembre de 2015, a las 5:51 a.m. EDT, usando los interferómetros gemelos de LIGO, situados en Livingston, Louisiana y Hanford, Washington.

La señal detectada por LIGO

La señal detectada por LIGO Crédito: LIGO

Cada interferómetro en forma de L se extiende a lo largo de 4 kilómetros y usa un pulso de luz láser dividido en dos haces que viaja a través de cada brazo, rebotando entre unos espejos configurados con precisión. Cada haz monitoriza la distancia entre los espejos, la cual, de acuerdo con la teoría de Einstein, cambiará infinitesimalmente cuando pase una onda gravitatoria por el instrumento.

“Casi podría visualizarse como una roca dejada caer sobre la superficie de un estanque. y las ondulaciones que se generan”, dice Nergis Malvalvala, Catedrática Curtis and Kathleen Marble de Astrofísica en el MIT. “Es algo que distorsiona el espacio-tiempo a su alrededor, y dicha distorsión se propaga hacia fuera llegando hasta la Tierra, cientos de millones de años más tarde”.

El pasado marzo, los investigadores completaron una gran mejora de los interferómetros, conocida como Advanced LIGO, aumentando la sensibilidad de los instrumentos y permitiéndoles detectar un cambio en la longitud de cada brazo menos de una diezmilésima del diámetro de un protón. En septiembre, estaban listos para empezar a observar con ellos.

“El efecto que estamos midiendo en la Tierra es equivalente a medir la distancia a la estrella más cercana, Alfa Centauri, con un margen de error de unos pocos micrómetros”, comenta Evans. “Es una medida extremadamente compleja de realizar. Einstein no esperaba que nunca pudiese tomarse”.

Sin embargo, la señal llegó. Usando las ecuaciones de Einstein, el equipo analizó la señal y determinó que se originó a partir de una colisión entre dos agujeros negros masivos.

“Pensamos que iba a ser un enorme desafío demostrarnos a nosotros mismos, y al resto, que las primeras señales que obtuviésemos no eran simples fluctuaciones estadísticas o ruido aleatorio”, comenta David Shoemaker, director del Laboratorio de LIGO en el MIT. “Pero la naturaleza fue increíblemente amable, enviándonos una señal que es muy grande, extremadamente fácil de comprender, y absoluta y perfectamente alineada con la teoría de Einstein”.

Para los cientos de científicos de LIGO, esta nueva detección de ondas gravitatorias no sólo supone la culminación de décadas de búsqueda, sino el inicio de una nueva forma de observar el universo.

“Esto abre una nueva área en la astrofísica”, dice Evans. “Siempre hemos observado el cielo con telescopios buscando radiación electromagnética, como la luz, las ondas de radio, o los rayos-X. Ahora las ondas gravitatorias nos dan una forma completamente nueva de conocer el universo que nos rodea”.

Minúscula detección, enorme recompensa

La investigación de LIGO se llevó a cabo gracias a la Colaboración Científica LIGO (LSC), un grupo de 950 científicos de universidades dispersas por todos los Estados Unidos, incluyendo al MIT, y otros 15 países. Los observatorios de LIGO están gestionados por el MIT y Caltech. Los instrumentos se exploraron como un medio para detectar ondas gravitatorias en la década de 1970 por parte de Weiss, que junto a Kip Thorne y Ronald Drever de Caltech propusieron LIGO en la década de 1980.

“Han sido 20 años de trabajo y, para algunos de nosotros, incluso más”, comenta Evans. “Hemos pasado mucho tiempo trabajando en estos detectores, sin ver nada. Por lo que es un cambio radical, y un interesante cambio psicológico, para toda la colaboración”.

“El proyecto representa un triunfo para la investigación con patrocinio federal”, comenta Maria Zuber, vicepresidenta de investigación y Catedrática E. A. Griswold de Geofísica en el MIT. “LIGO es un ejemplo de una inversión de alto riesgo con un alto retorno en ciencia experimental. En este caso la inversión fue muy amplia, y mantenida a lo largo de muchos años, con un resultado de éxito poco asegurado. Pero la recompensa científica será extraordinaria. Aunque los descubrimientos de los que informamos hoy ya son maravillosos, apenas representan la punta del iceberg de lo que aprenderemos sobre física fundamental y la naturaleza del universo”.

Los observatorios LIGO tienen previstas posteriores mejoras en el futuro cercano. Actualmente, los instrumentos funcionan a un tercio de sus sensibilidad planificada. Una vez que estén completamente optimizados, según la predicción de Shoemaker, los científicos podrán detectar ondas gravitatorias que emanan “de los confines del universo”.

“En pocos años, cuando esté completamente en funcionamiento, deberíamos ver acontecimientos procedentes de una amplia variedad de objetos: agujeros negros, estrellas de neutrones, supernovas, así como de cosas que ni siquiera hemos imaginado aún, a una frecuencia de una cada día o cada semana, dependiendo de cuantas sorpresas nos esperen ahí fuera”, apunta Shoemaker. “Es nuestro sueño, y por el momento no tenemos razones para pensar que no se vaya a hacer realidad”.

Por lo que respecta a esta nueva señal gravitatoria, Weiss, que fue el primero en presentar un rudimentario diseño de LIGO en la década de 1970 como parte de un ejercicio experimental para uno de sus cursos del MIT, ve esta minúscula detección como una enorme recompensa.

“Ésta es la primera prueba real que tenemos de campos gravitatorios de gran fuerza: monstruos como estrellas moviéndose a la velocidad de la luz, impactando entre sí, haciendo que la geometría del espacio-tiempo se convierta en una especie de lavadora”, comenta Weiss. “Y estos campos extraordinariamente potentes crearon un efectos diminuto en nuestro instrumental, un movimiento relativo de 10 elevado a menos 18 metros entre los espejos de los brazos del interferómetro. Es casi imposible pensar el algo así”.

2 comentarios

  • hola, te felicito de antemano por el trabajo que haces aquí.

    una pregunta, en realidad son como mil, pero bueno… ¿como determinan el origen de la fuente de las ondas? me refiero a ,que según la teoría, todo cuerpo en movimiento las desprendería, de ser así se generaria un escenario parecido al de un oceano, entonces ¿cómo discriminar entre tanta información y asignarle una “dirección” en paricular, por decirlo de algún modo?

    Saludos.

  • Me imagino que sólo serán detectables las ondas gravitatorias emitidas por objetos muy masivos, tales como los agujeros negros cuando colisionan. Es verdad que todo cuerpo en movimiento emite esas ondas, pero serán de tan poca energía, que lo instrumentos no serían lo suficientemente sensibles como para detectarlas.
    Lo que resulta maravilloso y admirable es que Einstein previera que esas ondas gravitatorias existían. Se ha tardado en detectarlas, pero nunca es tarde si la dicha es buena.
    Un saludo.
    PD. Muchas gracias, Manuel, por la continuidad de este magnífico blog.

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