jueves, 11 de febrero de 2016

Detectadas por primera vez las ondas gravitatorias: culpable, un agujero negro binario

La Teoría de la Relatividad General de Einstein, publicada por primera vez hace un siglo, fue descrita por el físico Max Born como "la mayor hazaña del pensamiento humano sobre la Naturaleza". La rueda de prensa ofrecida hoy por el LIGO nos ha presentado dos grandes avances científicos que involucran importantes predicciones de la teoría de Einstein: la primera detección directa de ondas gravitatorias y la primera observación de la colisión y fusión de dos agujeros negros.

Este acontecimiento catastrófico que ha producido la señal de ondas de gravedad GW150914, tuvo lugar en una galaxia distante situada a más de mil millones de años luz de distancia de la Tierra. Se observó el pasado 14 de septiembre de 2015 mediante los dos detectores de ondas gravitatorias del LIGO. Los científicos estiman que la potencia del pico radiado de ondas gravitatorias durante los momentos finales de la fusión de los agujeros negros era diez veces superior a la potencia de la luz combinada de todas las estrellas y galaxias del Universo observable. Este notable descubrimiento marca el comienzo de una nueva era en la astronomía: las ondas de gravedad nos abren una nueva ventana al Universo.

En este artículo hablaremos de la noticia presentada por el LIGO y publicada tras la rueda de prensa en la que han anunciado el descubrimiento.


Introducción y antecedentes.

Las ondas gravitatorias son ondas en el espacio-tiempo producidas por algunos de los eventos más violentos del cosmos, como lo son las colisiones y fusiones de estrellas masivas compactas. Su existencia fue predicha por Einstein en 1916, cuando demostró que la aceleración de objetos masivos "sacudiría" el espacio-tiempo generando ondas que viajan a la velocidad de la luz a través del Universo, y llevando con ellas información sobre su origen catastrófico, así como pistas muy valiosas de la naturaleza de la propia gravedad.

Durante las últimas décadas, los astrónomos habían acumulado fuertes evidencias que apoyaban la existencia de las ondas gravitatorias, principalmente, mediante el estudio de su efecto sobre los movimientos de las estrellas binarias de nuestra galaxia. Los resultados de estos estudios avalaban la teoría de Einstein revelando órbitas en contracción debido a la emisión de energía a través de las ondas de gravedad. Sin embargo, la detección directa de las ondas gravitatorias, a medida que alcanzan la Tierra, han sido muy esperadas por toda la comunidad científica ya que este avance puede ofrecer nuevas evidencias de la Teoría de la Relatividad General y abrirnos una nueva forma de ver el Universo.

 En el mismo año en el que Einstein predijo las ondas de gravedad, el físico Karl Schwarzschild demostró que el trabajo de Albert permitía la existencia de agujeros negros: objetos extraños que son tan densos y tan compactos que ni siquiera la luz puede escapar de su campo gravitatorio. A pesar de que, por definición, no podemos "ver" directamente la luz de un agujero negro, los astrónomos han encontrado innumerables evidencias de su existencia debido a las perturbaciones que generan en su entorno próximo. Por ejemplo, se cree que la mayoría de las galaxias del Universo, incluida la Vía Láctea, contienen un agujero negro súper masivo en su centro, con una masa de millones e incluso miles de millones de veces la del Sol. También hay evidencias de la existencia de agujeros negros con masas mucho más pequeñas, que van desde unas pocas a unas docenas de veces la masa solar. Se cree que estos son los restos de estrellas muertas que han colapsado debido a que han explotado en un evento conocido como supernova.

Junto a este sustancia progreso de la observación indirecta de los agujeros negros, se han producido importantes avances en la comprensión teórica de los objetos extraños como los agujeros negros binarios. Los modelos informáticos han permitido construir la fusión de estos dos objetos así como su emisión de ondas gravitatorias en el proceso.

Figura 1: onda gravitatoria detectada por LIGO. Crédito: LIGO


Los detectores LIGO

LIGO es el mayor observatorio de ondas gravitatorias del mundo y uno de los experimentos de física más sofisticados que se han realizado. Se compone de dos interferómetros láser gigantes situados a miles de kilómetros de distancia, uno en Livingston, Louisiana y otro en Hanford, Washington. LIGO emplea las propiedades físicas de la luz y del espacio en sí mismo para detectar las ondas de gravedad, un concepto presentado por primera vez en la década de 1960. Un conjunto de interferómetros iniciales fue completado en la década del 2000, incluyendo a TAMA300 en Japón, GEO600 en Alemania, LIGO en los Estados Unidos y Virgo en Italia. Las combinaciones de estos detectores permitieron la realización de observaciones conjuntas entre 2002 y 2011, pero no detectaron ninguna fuente de ondas gravitatorias. Después de someterse a mejoras importantes, en el 2015 los detectores de LIGO permitieron observaciones más avanzadas.



Un interferómetro como LIGO consta de dos "brazos" (cada uno de 4 km de largo) en ángulos rectos entre sí, a lo largo de la cual brilla un haz de láser y es reflejado por los espejos (suspendidos como masas de prueba) en cada extremo. Cuando una onda gravitatoria pasa, provoca que los brazos del interferómetro se alarguen y contraigan tomando diferentes longitudes, lo que provoca que los rayos láser tarden diferentes tiempos en recorrer los brazos, lo que significa que los haces ya no están en fase produciendo por lo tanto, un patrón de interferencias. Por ello, llamamos interferómetros a los detectores de LIGO.

La diferencia entre las dos longitudes de los brazos es proporcional a las fuerza de la onda gravitatoria que pasa. Una onda de gravedad típica que se puede detectar posee aproximadamente 1 / 10.000 de la anchura de un protón. LIGO es tan sensible que puede llegar a medir estas cantidades tan diminutas.

Figura 2. Crédito: LIGO


La figura 2 muestra un diagrama simplificado de un detector avanzado LIGO.

Para detectar con éxito un evento de ondas gravitatorias como GW150914, los detectores LIGO necesitan combinar su asombrosa sensibilidad  junto a la capacidad de aislar señales reales o fuentes de ruido como las pequeñas perturbaciones debidas a fenómenos ambientales. Esta es el motivo principal por el que hay dos detectores LIGO Avanzados, ya que nos permiten distinguir las ondas gravitatorias de los efectos instrumentales o ambientales locales: solamente una señal de onda gravitatoria verdadera aparecería en ambos detectores, aunque separados por unas pocas milésimas de segundo, teniendo en cuenta el tiempo que tarda la luz (o una onda gravitatoria) en viajar entre los dos detectores.

El diagrama b de la figura 2 muestra cómo el ruido de los instrumentos en los detectores LIGO dependen de la frecuencia. Podemos ver que el ruido del instrumento es más bajo en el "punto dulce", en torno a unos pocos cientos de herzios, pero aumenta bruscamente tanto en las frecuencias bajas como en las altas. También hay un número de picos estrechos en el que el ruido del instrumento es particularmente grande, por ejemplo debido a la vibración de las fibras que suspenden los espejos y las masas de prueba en cada interferómetro.

Llegar a la mayor sensibilidad de LIGO Avanzado requiere la mejora de casi todos los aspectos de diseño del LIGO original. Estas mejoras incluyen:

-Aumento significativo de la potencia del láser, para reducir la fuente principal de ruido a altas frecuencias.

-Rediseño de las cavidades para contener mejor la distribución espacial de la luz láser.

-Uso de grandes masas de prueba utilizando fibras de sílice fundidas, para reducir su ruido térmico.
      
 -La suspensión de las masa de prueba con un péndulo de cuatro etapas para mejorar el aislamiento sísmico.

 -Uso de una nueva estrategia para reducir el impacto de los movimientos terrestres.

El funcionamiento de una red de dos o más detectores también nos permite "triangular" la dirección en el cielo de la que llega una onda gravitatoria, mediante el estudio de la diferencia de tiempo de llegada a cada detector. Por ello, este año el detector Virgo, el Italia, se unirá a la red global. Además se planean otros interferómetros para el futuro.

Nuestras observaciones de LIGO y lo que significan.

El 14 de septiembre de 2015 a las 09:50:45 GMT, los observatorios de Hanford y Livingston identificaron la señal GW150914. Se empleó el método de búsqueda conocido como de baja latencia que está diseñado para analizar los datos del detector muy rápidamente, en busca de las evidencias de un patrón en forma de ondas gravitatorias, pero sin modelar los detalles precisos de su forma. Estas búsquedas rápidas reportaron el evento candidato dentro de sólo los tres primeros minutos de detección. Los datos de las ondas gravitacionales obtenidos por los interferómetros de LIGO se compararon con un extenso banco de formas de ondas predichos teóricamente - un proceso conocido como el filtrado adaptado- con el objetivo de encontrar la forma de la onda que más se ajustaba a los datos.

Figura 3.Crédito: LIGO
La figura 3 presenta los principales resultados de estos análisis detallados, los cuales apuntan a que GW150914 fue producido por la fusión de dos agujeros negros. La parte media de la figura muestra la reconstrucción de la señal de ondas gravitatorias tal y como se ven por el detector de Hanford. Particularmente, hay que tener en cuenta, que el patrón rojo calculado teóricamente para la coalescencia de dos agujeros negros, coincide con el patrón gris detectado.

En la parte superior de la figura se muestran los horizontes de sucesos de los dos agujeros negros aproximándose y cómo se unen entre sí, produciéndose una gran oscilación antes de asentarse. La comparación de los datos de deformación con las predicciones teóricas nos permite comprobar si la relatividad general es capaz de describir completamente el evento. Se pasa esta prueba con nota: todas nuestras observaciones son consistentes con las predicciones de la relatividad general.

También podemos utilizar los datos para estimar las características físicas específicas del sistema que produjo GW150914, incluyendo las masas de sus dos agujeros negros antes de la fusión, la masa del agujero negro tras la fusión, y la distancia del evento.

Nuestros resultados indican que GW150914 fue producido por la fusión de dos agujeros negros con masas de aproximadamente 36 y 29 veces la masa del Sol, respectivamente, y que el agujero negro, tras la fusión, tenía una masa de alrededor de 62 veces la masa del Sol. Consecuentemente, se deduce que el agujero negro está girando (los agujeros negros en rotación se predijeron teóricamente por primera en 1963 por el matemático Roy Kerr). Finalmente, los resultados indican que GW150914 se produjo a una distancia de más de mil millones de años de luz. Por lo que los detectores LIGO han observado un acontecimiento verdaderamente notable que sucedió hace mucho tiempo en una galaxia muy, muy lejana.

Si comparamos las masas de los agujeros negros pre y post-fusión, vemos que la coalescencia convierte aproximadamente tres veces la masa del Sol en energía de ondas gravitacionales, la mayor parte emitida en una fracción de un segundo. De hecho, el poder de las ondas gravitatorias radiadas por GW150914 fue de más de diez veces mayor que la luminosidad combinada (es decir, la potencia de la luz) de todas las estrellas y galaxias en el universo observable.

¿Cómo sabemos que GW150914 fue una fusión agujero negro?

Las masas previas a la fusión estimadas de los dos componentes en GW150914 refuerzan la idea de que son agujeros negros, sobre todo cuando a este dato se le suma la enorme velocidad y pequeña separación de los componentes, tal y como se muestra en la parte inferior de la figura 3, donde la velocidad se muestra en fracciones de la velocidad de la luz. Del mismo modo, se muestra que su separación es aproximadamente unas pocas veces el tamaño característico de un agujero negro, conocido como radio de Schwarzschild.

Estos gráficos señalan que los dos componentes se encontraban a tan sólo unos cientos de kilómetros de distancia antes de que se fusionaran, es decir, cuando la frecuencia de las ondas gravitatorias era de alrededor de 150 Hz. Los agujero negros no son los únicos objetos que pueden fusionarse, pero basándose en los datos de las masas, una par de estrellas de neutrones no serían lo suficientemente masivas, emitiendo como consecuencia de su fusión, frecuencias inferiores a 150 Hz.

¿Estamos seguros de que GW150914 fue un evento astrofísico real?

Los científicos han llevado a cabo una variedad de controles independientes y exhaustivos para verificar la detección de GW150914.

En primer lugar, como ya hemos señalado, el retardo de tiempo entre las observaciones realizadas en cada detector LIGO fue consistente con el tiempo de recorrido de la luz entre los dos sitios. Además, como se ve en la figura 1, las señales de Hanford y Livingston mostraron un patrón similar, como era de esperar, dada la cercana alineación de los dos interferómetros, y fueron lo suficientemente fuertes como para "sobresalir" contra el ruido de fondo del entorno a la hora del evento.

La comprensión de este ruido de fondo es una parte esencial del análisis y consiste en el seguimiento de una amplia gama de datos ambientales registrados en ambos sitios: movimientos de tierra, las variaciones de temperatura y las fluctuaciones de la red eléctrica, por nombrar sólo algunos. Al mismo tiempo, muchos canales de datos monitorean en tiempo real el estado de los interferómetros - por ejemplo, que los diversos rayos láser estén correctamente centrados. Si cualquiera de estos canales ambientales o instrumentales indicaran un problema, entonces serían descartados los datos del detector. Sin embargo, a pesar de los exhaustivos estudios, no se han encontrado este tipo de problemas en los datos del momento del evento.

La primera detección de ondas gravitatorias y la primera observación de un agujero negro binario en fusión son grandes logros. Pero sólo representan un nuevo y emocionante capítulo de la astronomía. Durante la próxima década las mejoras que se produzcan en los detectores de la red mundial nos ayudarán a estudiar el Universo como no se ha hecho antes. Esta red global mejorará significativamente nuestra capacidad para localizar las posiciones de las fuentes de ondas gravitatoriass en el cielo y estimar con mayor precisión sus propiedades físicas.


Más información en el enlace.

2 comentarios:

  1. Razonemos sobre las Ondas Gravitatorias O.G, y las Electromagnéticas O.E.Aunque son semejantes NO SON IGUALES.
    1.Las O.E son expansivas, mientras que las gravitatorias no. Campo Central.
    2.Las O.E. se transmiten por Partícula, mientras que las O.G. no.-Los teóricos proponen partículas con masa. NUNCA se han encontrado.
    3.El Electromagnetismo, impone limitaciones de velocidad.Pero si las O.G. no son electromagnéticas nada las impide viajar a velocidades superiores a la radiación Electromagnética.
    4.Refracción, difusión, etc,de las O.E. no tienen paralelismo con los de las O.G.Podemos reflejar, o desviar una O.E.No podemos hacer lo mismo con una O.G.Las O.G. producen Lentes Gravitatorias, contracción de los cuerpos.Estrellas de Neutrones, y Agujeros Negros,y explosiones de Supernovas.-Las O.E. no
    5.-Manipulación.En una habitación, podemos apagar la luz.-NUNCA conseguimos suprimir La Gravedad.No podemos “apagarla”.NO SON IGUALES
    Anuncio.-Invocación a a Einstein.NI EINSTEIN NI NEWTON DIJERON NUNCA QUE ERAN IGUALES.Einstein demostró su existencia pero NO que PODEMOS DETECTARLAS MEDIANTE EL PASO DE CUALQUIER PARTICULA ESPECÍFICA, QUE TRANSPORTA LA ONDA.
    Conferencia de prensa.
    Las dos presuntas señales, se ajustan mucho a lo esperado.Pero las señales, no coinciden totalmente.-
    Solo se han captado dos.-¿-Por qué solo dos-?.¿-Hemos sido los privilegiados seres del Universo que han captado SOLO LAS DOS ÚLTIMAS SEÑALES de un suceso generado a distancia de mil millones de años-Se ha podido oír el sonido.Solo basta que poner un aparato que emita, AL PASO DE CUALQUIER ONDA CON MASA ELECTROMAGNÉTICA.-
    Se captó un suceso en Septiembre del 2015, y LA POTENCIA GRAVITATORIA era DIEZ veces superior a la luz de todas las Estrellas y Galaxias del Universo observable.-Un suceso con tal potencia Gravitatoria, debería de haber absorbido, COMPLETAMENTE, a la Galaxia en donde se produjo.Pero la Galaxia, sigue donde estaba.Lo que ahora se llama evidencias innegables, se basan en una simulación previa por ordenador.-Las DOS ÚNICAS supuestas O.G. captadas, se ajustan algo a esta simulación, pero no hay coincidencia total.No hay declaraciones de márgenes Sigmas.
    Detección de longitudes de onda 10.000 veces menores que la anchura de un Protón.Pueden ser producidas por Quarks o incluso Gluones, y otros cientos de Partículas no compuestas.
    SOLAMENTE SUS DETECTORES, y no también los de otras naciones detectaron las presuntas O.G..-Que nos expliquen por qué SOLO ELLOS, detectaron todo esto, y solo dos veces.-
    4-8.Los datos de la presunta O.G., se compararon con los que deberían de presentar otros cientos de simulaciones realizadas anteriormente, escogiendo entre los cientos de modelos previstos, el más similar.-¡¡-Así, cualquiera ajusta todo, y demuestra todo.
    4-9.Gráfico que representa las ondas emitidas.-Obsérvese que, a partir de la unión de los A.N., la línea es plana.-Deduzco que un presunto A.N. no emite nada.Entonces: ¿-Cómo se han detectado antes los A.N. que van a unirse, si no emiten nada.Nueva contradicción, y ya van varias decenas.-
    ¿-Por qué gastarse cientos o miles de millones, en costosísimos experimentos cuando podemos comenzar por medir las O.G. que emitimos todos, las que emite La Tierra, el mar, los bosques, las montañas, etc, etc.
    Hay otras decenas de razones, que el sistema no permite exponer

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    1. Acabamos de detectarlas y poco sabemos de ellas. Esperemos un poco más a ver cómo evoluciona esta nueva ventana al Universo....

      Un saludo!

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