Cinco cosas que hay saber sobre ondas gravitacionales para una conversación de café

El pasado 27 de septiembre se anunció la detección de una cuarta onda gravitacional por parte de los proyectos Virgo a LIGO. Denominada GW170814 fue observada el pasado 14 de agosto de 2017 y es la primera detectada por una red de tres interferómetros láser. La onda fue producida por la fusión de dos agujeros negros de 31 y 25 masas solares.

Además los proyectos LIGO y Virgo ha detectado las siguientes ondas gravitacionales:

  • GW170104: anunciada el 1 de junio de 2017 y originada por la colisión de dos agujeros negros. Fue observada el 4 de enero de 2017 por el par de observatorios del proyecto LIGO.
  • GW151226: anunciada el 15 de junio de 2016 y originada por la colisión de dos agujeros negros. Fue observada por el 26 de diciembre de 2015 por los observatorios del proyecto LIGO.
  • GW150914: anunciada el 11 de febrero de 2016 fue la primera observación de onda gravitacional confirmada originada por la colisión de dos agujeros negros. Corresponde a una observación realizada por los observatorios del proyecto LIGO el 14 de septiembre del 2015. La observación de las ondas gravitacionales confirma una predicción de la teoría de la relatividad de Einstein y proporciona evidencia de la fusión de agujeros negros.

Los científicos Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne han ganado el Premio Nobel de Física 2017 por su trabajo en LIGO, el detector de ondas gravitacionales.

Como estamos seguros que no vas a poder evitar hablar de este tema en la próxima reunión con tus amigos te dejamos estas cuestiones básicas para que puedas salir airoso en la conversación:

¿Qué son las ondas gravitacionales?

De su nombre nos resulta evidente que una onda gravitacional es una onda, es decir, una perturbación que se propaga. La visión más inmediata de las ondas nos viene al imaginar la superficie tranquila de un lago y arrojar un objeto sobre ella. Vemos que la superficie se deforma y aparecen unas perturbaciones en forma de montañas y valles que se propagan.

Ondas agua
Ondas agua

Si situamos un objeto sobre la superficie del lago antes de que sea alcanzado por la perturbación, por ejemplo el tapón de corcho de una botella de vino, veremos que el tapón de corcho ascenderá y descenderá cuando sea atravesado por la perturbación, es decir se moverá verticalmente,  pero no se desplazará horizontalmente. Es decir, una vez haya pasado la perturbación su posición será la misma que tenía inicialmente.

Las ondas se caracterizan por su amplitud (el máximo valor de perturbación), su frecuencia (el número de perturbaciones que alcanzan un punto del espacio en cada segundo) y su velocidad (la velocidad a la que se propaga la perturbación).

Si pensamos en el corcho en el lago, la amplitud de la onda será la máxima altura que alcance el corcho respecto a la superficie del lago antes de producirse la perturbación y la frecuencia será el número de perturbaciones que alcanzan el corcho en un segundo. La velocidad de la perturbación sería la velocidad a la que se propagan las montañas y valles que mencionábamos anteriormente.

Una vez repasados estos conceptos básicos de ondas podemos intentar entender las ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son una predicción de la teoría de la relatividad de Einstein. Publicada en 1915, la teoría de Einstein propone una nueva concepción de la gravedad como un efecto de la curvatura del espacio tiempo.  La teoría de la relatividad concibe el espacio-tiempo como una entidad maleable que se deforma por la presencia de la masa y/o energía. Esta deformación origina el fenómeno que conocemos como gravedad.

Ondas gravitacionales
Ondas gravitacionales

Por tanto, cuando hablamos de onda gravitacional, la perturbación que se propaga es la propia deformación del espacio, al igual que ocurre con la superficie del lago de nuestro ejemplo anterior. En este sentido, el espacio se estira y se contrae al paso de una onda gravitacional. Evidentemente esta deformación del espacio afectará a la distancia entre los objetos que atraviese la perturbación, que aumentará y disminuirá cuando sean alcanzados por la onda gravitacional.

La velocidad de las ondas gravitacionales es la de la luz. Con respecto a su amplitud, y éste es uno de los principales inconvenientes que dificultan su detección, nos encontramos con amplitudes del rango de 10-18 m, es decir, 0.000000000000000001 m. Imagínate el desafío, pues se están intentando medir variaciones en longitud del orden de una milésima parte del tamaño de un protón. La frecuencia de las ondas gravitacionales depende del fenómenos que las produce y LIGO está diseñado para observar ondas de frecuencia entre 50 y 1000 Hz que corresponden a fenómenos asociados  con objetos binarios compactos.

¿Qué fenómenos las producen?

Como hemos dicho, las ondas gravitacionales son un resultado predicho por las ecuaciones de la relatividad de Einstein. Al igual que sucedió con el electromagnetismo, cuya formulación por Maxwell implicaba la existencia de ondas electromagnéticas, las ecuaciones de Einstein implican que las masas aceleradas generen ondas gravitacionales.

Las deformaciones del espacio producidas por las ondas gravitacionales son proporcionales a la masa y la energía del proceso que las genera. El espacio-tiempo presenta una rigidez importante, por lo que las deformaciones son muy pequeñas y, por tanto, sólo fenómenos en los que intervienen objetos muy masivos y de alta energía son susceptibles de generar ondas con posibilidad de ser detectadas. Estamos hablando de fusión o colisión de agujeros negros, fusión de estrellas de neutrones y explosiones de supernova. Los modelos indican que una fusión de dos estrellas de neutrones producida a 50 millones de años luz produciría en el detector LIGO una deformación del espacio del orden de la milésima parte de un protón.  En función de la distancia LIGO puede detectar ondas generadas por sistemas binarios de estrellas de neutrones hasta unos 600 millones de años luz, fusiones de agujeros negros hasta miles de millones de años luz y ondas asociadas a estallidos de rayos gamma, supernovas o pulsares en nuestra galaxia.

¿Cómo se pueden detectar?

Os podéis imaginar que la detección de ondas gravitacionales supone todo un reto tecnológico. Estamos buscando detectar cambios en la longitud de un objeto del orden de la milésima parte del tamaño de un protón.  Para ello los detectores de LIGO se basan en una técnica denominada interferometría laser. Las técnicas de interferometría estudian un determinado fenómeno basándose en una propiedad de las ondas que es la de producir interferencias. La interferencia se produce cuando dos o más ondas coinciden en un mismo punto del espacio en un instante determinado. En ese punto las ondas se combinan y, dependiendo de su “estado”, pueden reforzarse o contrarrestarse sus efectos, llegando incluso a cancelarse si se cumplen ciertas condiciones. Por tanto, la interferometría laser se basa en utilizar haces de radiación láser (esta es la onda que se va a interferir) para producir interferencia. Se puede diseñar el dispositivo para que los haces laser interfieran en el detector de forma que se cancelen sus efectos. En lugar de tener luz láser tendremos oscuridad como resultado de la interferencia.

Interferómetro
Interferómetro

El tipo de interferómetro que se utiliza en LIGO es el interferómetro de Michelson. Como se muestra en la imagen este interferómetro se basa en un divisor de haz, que divide la luz láser en dos haces idénticos que se desplazan en direcciones perpendiculares entre sí, cada haz se refleja en un espejo, y los dos haces se vuelven a combinar de nuevo produciendo interferencia entre sí. El patrón de interferencia que se produzca después de la combinación va a depender del “estado” de la luz (técnicamente este estado se llama fase) y, a su vez, ese estado va a depender del camino recorrido por cada haz. Por tanto, podemos diseñar el dispositivo para que el patrón de interferencia sea tal que los haces de luz se cancelen. ¿Qué pasaría si por cualquier razón, la fase de alguno de los haces cambiase? En este caso, los haces interferirían, pero ya no se produciría la cancelación de los efectos, obteniendo luz en el detector.

LIGO
LIGO

El proyecto LIGO dispone de dos interferómetros situados a 3000 kilómetros de distancia. Son interferómetros idénticos y operan de manera independiente, pero se complementan ya que cada uno de ellos tiene la misión de confirmar las observaciones del otro. Cada instrumento posee dos brazos perpendiculares de 4 kilómetros de longitud. Al llegar a la tierra las ondas gravitacionales encogen y alargan los brazos del interferómetro. Tales cambios modifican el patrón de interferencia (se produce luz en el detector) lo que permite detectar la onda gravitacional.

¿Pero cómo podemos estar seguro en que los cambios se han debido al paso de una onda gravitacional? Hay que aislar cualquier fuente de ruido que pueda afectar al experimento, es decir, alterar las longitudes de los brazos en menos de la milésima parte del tamaño de un protón. En 1972, Rainer Weiss (uno de los ganadores del Nóbel), identificó la mayor parte de las fuentes de ruido que limitarían la sensibilidad del instrumento y en los ochenta, Kip Thorne (otro de los ganadores del Nobel), incluyó los efectos cuánticos en los espejos en las perturbaciones que afectarían al dispositivo y propuso técnicas para su aislamiento.

Las fuentes de ruidos que pueden afectar a los detectores pueden ser:

  • Sísmico: movimientos debidos a terremotos, vientos, olas oceánicas y actividad humana. Para evitarlo, los espejos de 40 kg, cuelgan de un sistema de suspensión en péndulo de cuatro etapas (un péndulo que cuelga de otro, que a su vez cuelga de otro que cuelga de otro). Dicho sistema se mantiene fijo gracia a un sistema de aislamiento activo (sensores de posición, velocidad y actuación e impulsores mecánicos) que compensa el ruido sísmico local. Es decir, el sistema activo evalúa las perturbaciones de tipo sísmico y genera un movimiento que las compense. De esta forma se consigue reducir el ruido sísmico a señales de una frecuencia de 10 Hz.
  • Gravitacional: son los ligeros cambios en la fuerza gravitatoria que actúa sobre los espejos. Estos se deben a alteraciones en la densidad de la Tierra y la atmósfera debidas a perturbaciones sísmicas, térmicas y de presión atmosférica. Estos cambios gravitaciones limitan la sensibilidad del instrumento en los extremos inferior de frecuencia, en torno a los 10 Hz. Para compensar estos efectos se mide la variación de la gravedad en las proximidades del detector para estimar el efecto de este ruido y poder sustraerlo.
  • Térmico: debido a las vibraciones microscópicas de los átomos que forman los espejos y los sistemas de suspensión. Afectan a las señales con frecuencia menor de 100 Hz. Para compensarlos se utilizan materiales de muy baja disipación mecánica.
  • Cuántico: limita la detección en casi todas las frecuencias y se debe a las fluctuaciones cuánticas que se producen en el haz de luz, afectando al recuento de fotones en el detector así como a la transferencia de momento (colisiones) a los espejos. Se pueden limitar aumentando la masa de los espejos y la intensidad del haz láser.

Pero no todo acaba ahí. Una vez que hemos conseguido tener un dispositivo extremadamente sensible y aislado de todos los efectos del ruido, tenemos que conseguir desarrollas técnicas de análisis de datos que sean capaces de extraer la señal. Para ello se crean modelos matemáticos de la señal esperada según el tipo de fenómenos que ha originado la onda gravitaciones y se buscan esas señales en el océano de datos generados por los detectores.

¿Por qué son importantes?

Las ondas gravitacionales son importante porque son una confirmación adicional de la teoría de la relatividad de Einstein, uno de los pilares, junto con la mecánica cuántica, de la física moderna.

Pero, al mismo tiempo, nos abre una forma de observar el universo. Cada ventana de observación nos permite estudiar con mejor detalle los procesos físicos asociados a los fenómenos de estudio. Junto con la radiación electromagnética y la astrofísica de neutrinos, las ondas gravitacionales nos permitirán conocer mejor cómo se forman los agujeros negros, cómo se comporta la materia bajo condiciones extremas, si la relatividad general es o no la descripción correcta de la gravedad y mejorar nuestra comprensión de la energía y la materia oscura. ¡La historia no ha hecho más que empezar!

¿Cómo puedo contribuir a la detección de las ondas gravitacionales?

Sí, no me he vuelto loco. Tú, mientras tomas ese café con los amigos, puedes contribuir al descubrimiento de nuevas ondas gravitacionales.

Einstein@Home es un proyecto promovido por Sociedad Americana de Física (APS), la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos (NSF) y la Sociedad Max Planck (MPG) para utilizar el tiempo disponible de tu  ordenador en la búsqueda de señales muy débiles de pulsares. Para ello utiliza datos de los detectores de ondas gravitacionales de LIGO, el telescopio de Arecibo y el satélite Fermi de rayos gamma.

Tiene el objetivo de realizar la primera detección directa de ondas gravitacionales generadas por un pulsar.

Si tu ordenador se utiliza en el análisis de datos inicial de algún descubrimiento relevante tu nombre aparecerá en la sección de agradecimientos del artículo que publique el hallazgo.

No lo dudes, contribuye el avance del conocimiento y únete a Einstein@Home.

 

Si quieres aprender más y estar a la última en los avances en descubrimientos de ondas gravitacionales no dudes en visitar la página web del proyecto LIGO.

Por otro lado, te recomendamos Gravity’s kiss de Harry Collins, un relato entre bastidores de los acontecimientos que transcurrieron entre el descubrimiento de la primera onda gravitacional y la comunicación pública del hallazgo.

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