jueves, 18 de febrero de 2016

10 cosas que todo el mundo debería saber sobre las ondas gravitatorias

Hace una semana muchos de nosotros vimos en directo la rueda de prensa del LIGO anunciando la primera detección directa de ondas gravitatorias. Pero ¿qué son en realidad estas ondas de gravedad? ¿Cómo se detectan? ¿Qué implicaciones tienen para la ciencia, y en especial para la astronomía? En este artículo repasaremos diez cuestiones que todo el mundo debería saber sobre las ondas gravitatorias para comprender el alcance de este descubrimiento que huele a Premio Nobel. 

Estas son las preguntas que vamos a responder.

1.- ¿Qué son las ondas gravitatorias?
2.- Diferencias y similitudes con las ondas electromagnéticas.
3.- Importancia de las ondas gravitatorias.
4.- ¿Qué objetos pueden emitir ondas gravitatorias?
5.- ¿Existen evidencias de su existencia?
6.- ¿Cómo se han detectado si son tan tenues?
7.- ¿Y qué hay del anuncio del equipo del BICEP2?
8.- ¿Se pueden escuchar?
9.- ¿Qué experimentos buscan hoy en día ondas gravitatorias?
10.-¿Ondas gravitatorias u ondas gravitacionales? 

¿Empezamos?



1.- ¿Qué son las ondas gravitatorias?

La Teoría de la Relatividad General de Einstein predice la existencia de distorsiones en el espacio-tiempo producidas por los objetos acelerados. A dichas distorsiones se las denominó ondas gravitatorias porque precisamente se transmiten como ondas que viajan a la velocidad de la luz.



2.- Diferencias y similitudes con las ondas electromagnéticas.

Las interacciones electromagnética y gravitatoria comparte similitudes como que ambas satisfacen una ley del cuadrado inverso. Sin embargo, mientras las ondas electromagnéticas son oscilaciones del campo electromagnético que se transmiten en el espacio-tiempo, las ondas gravitacionales son oscilaciones del propio espacio-tiempo.

Por otra parte, las ondas electromagnéticas son emitidas de forma incoherente por átomos o procesos cuánticos individuales, mientras que las ondas gravitatorias se producen coherentemente debido al movimiento de grandes cantidades de masa y energía.

Además, las ondas electromagnéticas, al propagarse por el medio interestelar son fácilmente absorbidas y dispersadas por la materia, mientras que las ondas de gravedad no son dispersadas por ningún tipo de materia.

Por último señalaremos que en las ondas electromagnéticas, su espectro se extiende desde frecuencias de 10^7 Hz hasta 20 órdenes de magnitud por encima. Y las ondas gravitatoria desde 10^4 Hz hasta 20 órdenes de magnitud por debajo.

Crédito: NASA Goddard Space Flight Center



3.-Importancia de las ondas gravitacionales.

Las diferencias antes señaladas determinan que la información que nos puede aportar el estudio de las ondas gravitatorias es muy diferente al aportado por el espectro electromagnético.

El espectro de ondas gravitatorias es completamente inexplorado, y cada vez que una nueva banda de ondas electromagnéticas se ha abierto a la astronomía, los científicos han descubierto fenómenos totalmente inesperados. Esto parece igual de probable que vuelva a ocurrir con las ondas gravitatorias, especialmente porque estas ondas llevan algunos tipos de información que la radiación electromagnética no puede transmitir.

 Como ejemplo podemos señalar que los agujeros negros no emiten señal en el espectro electromagnético, pero sí lo hacen mediante ondas gravitatorias por lo que van a dejar de ser invisibles para nosotros. Además, vamos a poder aproximarnos mucho más a los orígenes del Universo. Hasta ahora sólo podíamos estudiar lo que ocurrió a partir de que el Cosmos tuviera 400.000 años de edad, pero los acontecimientos previos a esta fecha no nos eran desvelados. Gracias a las ondas gravitatorias podremos superar esta barrera.


4.- ¿Qué objetos puede emitir ondas gravitatorias?
Esquema de los agujeros negros en fusión que han emitido las ondas gravitatorias detectadas por LIGO. Crédito: LIGO
Como todos sabemos por su nombre, un agujero negro no emite luz. ¡Pero sí emite ondas gravitatorias! Son precisamente los sucesos más violentos del Universo los que transmiten este tipo de ondas: colisiones de agujeros negros, explosiones de estrellas supernova, estallidos de rayos gamma,...E incluso podríamos observar lo que ocurrió justo después del Big Bang como he señalado en el apartado anterior.

Además también podríamos detectarlas en estrellas binarias. Los movimientos de estas enormes masas provocan intensas perturbaciones gravitatorias que escapan fuera del sistema en forma de ondas gravitatorias. Estas parejas emiten un flujo continuo de radiación gravitatoria, con gran longitud de onda y una frecuencia equivalente al periodo orbital. 

En el caso de las estrellas de neutrones, los estudios realizados en los últimos diez años han logrado establecer que las más jóvenes van perdiendo momento angular fruto de las ondas gravitatorias generadas por su inestabilidad oscilatoria. Pero también se ha descubierto que el propio nacimiento de la estrella de neutrones debe anunciar la producción de un brote intenso de ondas gravitatorias, debido a que cuando muere una estrella de gran masa, explota en forma de supernova, contrayendo su núcleo bruscamente, lo que genera la emisión de estas ondas. Algunos estudios afirman la posibilidad de que un 0,1 por ciento de la masa de las estrella de neutrones se convierta en radiación gravitatoria en este proceso. Por otra parte, cuando forman un sistema binario, estas estrellas describen espirales que convergen rápidamente hasta que entran en colisión o saltan hechas añicos. Cualquiera de estos dos sucesos puede generar un intenso brote de ondas gravitatorias.

Más potente aún que la estrella de neutrones es la explosión de una supernova. Durante la explosión, la estrella vibrará y resonará, y si además está girando, la radiación emitida será mucho mayor. Los investigadores están interesados en medir el tiempo transcurrido desde la detección de las ondas gravitatorias provenientes del núcleo colapsante de una supernova hasta la llegada de las ondas luminosas procedentes de las capas exteriores de la estrella. Si las ondas gravitatorias y las luminosas se detectan simultáneamente, nos hallaríamos con una confirmación directa de la predicción relativista según la cual las ondas gravitatorias se propagan a la velocidad de la luz, En este caso, la radiación gravitatoria nos permitiría revelar los pormenores que sufre este núcleo en colapso.

Otras fuentes de ondas gravitatorias podrían ser la formación de galaxias. El estudio de los primeros instantes del Universo nos podrá desvelar muchos datos acerca de estas estructuras.

5.- ¿Existen evidencias de su existencia?

Hasta el anuncio emitido por el LIGO el pasado 11 de febrero, sólo teníamos evidencias indirectas de su existencia.

La primera evidencia proviene del año 1974, cuando se descubrió el primer púlsar binario: PSR 1913+16, que podía producir ondas gravitatorias con la intensidad suficiente como para ser detectadas.Los púlsares son estrellas muy pequeñas, extremadamente densas y de rápida rotación, compuestas principalmente de neutrones, que son los restos de explosiones de supernovas. Las estrellas de neutrones en rotación emiten un haz de ondas de radio, que barre el cielo una vez por cada rotación estelar. De ahí el nombre de púlsar. Los púlsares giran a velocidades de hasta 30 veces por segundo y alcanzan velocidades de hasta 400 kilómetros por segundo en órbitas muy cerradas, con una separación similar al radio solar. Estas características convierten a un púlsar binario en un claro emisor de ondas gravitatorias.

Ahora, ya tenemos una evidencia directa producida por la fusión de dos agujero negros. 


6.- ¿Cómo se han detectado si son tan tenues? 

Cuando se producen eventos cósmicos violentos, el tejido del espacio vibra como un tambor provocando que las ondulaciones emanen en todas direcciones, viajando a la velocidad de la luz y distorsionando físicamente todo a su paso. Pero cuanto más se alejan las ondas gravitatorias de su origen, más pequeñas se vuelven. Una distorsión inicial en el espacio de varios kilómetros causada por ellas se queda reducida a solo una fracción del tamaño del protón cuando llega a la Tierra. Es por ello que hemos tenido que esperar 100 años desde que Einstein predijera su existencia para poder contar con la suficiente tecnología como para detectarlas. 


7.- ¿Y qué hay del anuncio del equipo del BICEP2?

 En 2014 los científicos del telescopio BICEP2 anunciaron haber descubierto las ondas gravitatorias primigenias, es decir, las ondas de gravedad que surgieron tras el Big Bang, mediante el análisis de la huella que dejaron en la radiación de fondo de microondas (CMB). Pero los datos del satélite Planck confirmaron que aquellos resultados no tuvieron en cuenta el polvo galáctico, por lo que no eran válidos. 

Crédito: BICEP2



8.- ¿Se pueden escuchar?

Sí, porque las frecuencias de algunas de estas ondas coinciden con las del sonido, por lo que pueden "traducirse" para ser oídas en forma de leves pitidos. Más información en este enlace.

Si queréis escuchar la señal recibida por el LIGO y publicada en la rueda de prensa el pasado 11 de febrero, no dudéis en ver el siguiente vídeo.


9.- ¿Qué experimentos buscan hoy en día ondas gravitatorias?


Las ondas gravitatorias pueden ser detectadas por interferómetros láser que miden los cambios inducidos en la longitud de onda ante la presencia de una radiación gravitatoria. Las diferentes frecuencias y fases que presentan estas ondas nos permitirán describir la dirección de la fuente y las características de la materia que las generó.

Existen diferentes interferómetros:

-Localizados en la Tierra: LIGO, VIRGO, GEO,…,destinados a detectar el colapso de estrellas masivas, estrellas de neutrones de rotación rápida, y ondas gravitacionales estocásticas de fondo creadas en el Universo temprano.

-En el espacio: LISA. LISA detectará binarias galácticas de periodo corto, rotación y colapso de agujeros negros supermasivos y las fuentes de un Universo temprano. Podría estar operativo en 2020

Existen además otros proyectos para el estudio de las ondas de gravedad: Geo600 (Alemania/Reino Unido), TAMA300 (Japón), VIRGO (Italia/Francia), y otros proyectos como el GOCE encargados de estudiar las variaciones en la gravedad terrestre.

El proyecto LIGO comenzó en 1984 siendo liderado por Kip S. Thorne del Caltech y por Reiner Weiss del MIT. Consta de dos observatorios:

- El observatorio Livingston en Louisiana que posee un interferómetro óptico con un recorrido de 4 kilómetros.

- El observatorio Hanford en Richland, cuyo interferómetro es de 2 kilómetros.

En estos detectores se han implementado múltiples reflexiones en los espejos para poder alcanzar las dimensiones adecuadas que permitan la detección de ondas en la longitud deseada.  Las ondas gravitacionales viajan a una velocidad finita, que se supone que es la velocidad de la luz.  Esto provoca un retraso (de unos 10 milisegundos) en la detección entre los dos detectores de LIGO.

Existen multitud de interferómetros porque se necesitan múltiples observatorios para detectar y ubicar las fuentes de ondas gravitacionales, y para distinguir los verdaderos candidatos a ondas gravitatorias causados por fuentes locales como el paso de un tren. Si un candidato a onda gravitacional se observa en un detector pero no en los otros dentro del tiempo que tarda la luz en viajar de uno a otro, el candidato se rechaza.

Crédito: LIGO



10.-¿Ondas gravitatorias u ondas gravitacionales?

Por mucho que el término gravitacional esté extendido, en realidad, es incorrecto, tal y como recoge la SEA en este enlace. Por ello, la forma correcta de referirnos a este tipo de emisión es onda gravitatoria. Curioso, ¿verdad?





4 comentarios:

  1. La frase que comienza el párrafo 2: "Las interacciones electromagnética y gravitatoria comparte similitudes como que ambas satisfacen una ley del cuadrado inverso", es desafortunada.
    No es afortunada, ya que está suponiendo que la gravedad viene dada por la fuerza de Newton, cuando en la teoría de Einstein es la fuerza de marea, es decir, el gradiente o variación de esa fuerza. Lo que si es cierto es que la amplitud de ambas ondas disminuye como el inverso de la distancia o proporcionalidad inversa o hiperbólica.

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    1. Lo miraré, para ver cómo puedo mejorar ese punto. Muchas gracias por tu aportación.

      Un saludo!

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