¿Qué es?
El jueves (11 de febrero) a las 10:30 am, la National Science Foundation en Washington reunirá a científicos de Caltech, MIT y Scientific Collaboration of LEU para anunciar a la comunidad científica los resultados de los esfuerzos realizados por el Observatorio de Ondas Gravitacionales Interferométricas con Láser (LIGO) para detectar olas gravitacionales. .
Como resultado de algunos rumores muy específicos dirigidos al posible descubrimiento de esta difícil extensión en el espacio exterior, hay grandes esperanzas de que la cooperación científica de LIGO finalmente ponga fin al razonamiento febril y anuncie el descubrimiento de las ondas gravitacionales.
¿Pero por qué es esto tan importante? ¿Y qué son las “ondas gravitacionales”?
Las ondas gravitacionales en su sentido más generalizado son pulsaciones en el espacio exterior. Albert Einstein asumió que hace poco más de 100 años, estas pulsaciones transportan energía gravitacional de la aceleración de objetos masivos en el espacio. Podemos imaginar ondas de gravedad como ondulaciones en la superficie de un estanque; arroje una piedra al agua y las olas pasarán sobre la superficie de un objeto caído. Las ondas gravitacionales son similares: se enfrentan a dos agujeros negros (como un ejemplo), y la "ondulación" se irá al espacio, transfiriendo energía desde el lugar de la colisión a la velocidad de la luz. No hay observaciones comprobadas de la presencia de ondas gravitacionales, pero su identificación no se consideró posible ... hasta hace poco.
¿Qué los hace?
Los agujeros negros son los objetos más masivos y densos que existen en el Universo y, probablemente, son centros de actividad de ondas gravitacionales, especialmente cuando chocan y se fusionan. La fusión de agujeros negros se considera la clave del mecanismo de crecimiento de estos gigantes gravitacionales. Cuando dos galaxias fusionan sus agujeros centrales, muy pesados, los agujeros negros comienzan a girar alrededor de la otra en una espiral, y luego chocan, formando un gran agujero negro. En este caso, las ondas gravitacionales se originan en agujeros negros en espiral antes de que colisionen. Cuanto más se acercan los objetos entre sí, más fuerte aumenta la energía gravitatoria de las ondas, llevando más y más energía de los agujeros negros a su colisión, sonando como una "campana" después de su fusión. Otro fenómeno energético que genera una rápida erupción de ondas gravitacionales es supernovas. Después de que una estrella masiva se queda sin combustible de hidrógeno, explota, formando una presión gravitatoria masiva. Como resultado de la explosión, se producirá una pulsación de ondas gravitacionales, que pasará por el espacio exterior.
Las ondas gravitacionales también se pueden crear girando rápidamente los objetos, pero hay un truco. Solo los objetos de gran rotación asimétricos (es decir, no simétricos) pueden emitir ondas gravitacionales de forma periódica. Por ejemplo, una estrella de neutrones de rotación rápida con una acumulación convexa de sustancias en un lado del hemisferio "agitará" el espacio-tiempo para crear ondas gravitacionales. Sin embargo, una estrella de neutrones perfectamente simétrica no creará ondas gravitacionales. La forma más fácil de entender esto es imaginar una bola de forma ovalada que gira sobre la superficie de una piscina; Mientras la pelota gira, crea grandes olas en la superficie del agua. Una bola redonda, por otro lado, creará ondas sutiles en la superficie.
El Big Bang, presumiblemente, también causó una poderosa corriente de ondas gravitacionales, en el origen del Universo, hace unos 14 mil millones de años. Sin embargo, es poco probable que estas ondas gravitacionales iniciales sean detectadas, ya que su señal es demasiado débil en el Universo moderno. Pero se están haciendo intentos para detectarlos en el "resplandor de fondo" del Big Bang. Un proyecto de este tipo es el telescopio BICEP2 en el Polo Sur, que busca un tipo muy específico de polarización en el fondo cósmico de microondas, probablemente causado por ondas gravitacionales primarias. A pesar de los anuncios recientes, estas señales aún no han sido detectadas.
¿Cómo podemos detectarlos?
En 2002, el Observatorio de Ondas Gravitacionales Interferométricas con Láser (LIGO) comenzó a trabajar en una tarea específica: la detección directa de ondas gravitacionales que pasan a través de nuestro volumen local de espacio. Las ondas gravitacionales se transmiten en el espacio exterior y se pueden detectar en cualquier parte del cielo durante la noche y el día, pasando a través de la nebulosa , estrellas e incluso planetas sólidos. Estas ondas, teóricamente, pasan constantemente por el espacio exterior, viajando en absoluta libertad. Estas ondas pueden estar en todas partes, pero su efecto es sorprendentemente débil, y LIGO fue diseñado para probar su posible existencia. LIGO consta de dos estaciones de observación ubicadas a una distancia de 2 mil millas una de la otra: una en Washington y la otra en Louisiana. Ambas estaciones son idénticas y tienen dos túneles largos en forma de l. Cada túnel tiene 2.5 millas de largo. El ángulo "L" contiene un sofisticado laboratorio óptico que usa láseres para detectar pequeñas fluctuaciones en la distancia causadas por el paso de una onda gravitacional. Al hacer saltar repetidamente los láseres a lo largo del túnel y luego comparar los haces, el equipo LIGO puede detectar el cambio de fase más pequeño. Esta técnica extremadamente precisa se llama interferometría. Cualquier cambio de fase puede significar una ligera curvatura del espacio-tiempo, un pequeño cambio en la distancia, equivalente a 1/1000 del ancho de un protón.
Hasta ahora, LIGO no podía detectar ninguna señal de ondas gravitacionales, pero con la actualización a Advanced LIGO, la situación puede cambiar.
Tener dos estaciones es crucial para Advanced LIGO. Si una estación detecta un cambio en el espacio-tiempo y la otra no, los científicos pueden descartar la propagación de las ondas gravitacionales. Estas falsas alarmas pueden ser causadas por la vibración de un camión que pasa o en vientos fuertes durante una tormenta. Solo si dos estaciones registran el mismo evento se confirmará la existencia de una señal de onda de gravedad.
Otros detectores de ondas gravitacionales terrestres, como Virgo (Italia) y GEO 600 (Alemania), también usan interferometría para capturar estas diminutas oscilaciones del espacio-tiempo. Recientemente, se lanzó la misión LISA Pathfinder para probar tecnologías clave utilizando el interferómetro espacial de próxima generación (eLISA) del Interferómetro Láser de Evolución, que la Agencia Espacial Europea planea lanzar en 2034.
¿Por qué son tan importantes?
La confirmación de la detección de ondas gravitacionales será la fusión final de la física teórica y el desarrollo tecnológico. Las ondas gravitacionales nacen directamente de la teoría general de la relatividad de Einstein, que describe la naturaleza del espacio y el tiempo. Es sorprendente que hace 100 años, un año al año, Einstein sembró semillas para estas perturbaciones en el espacio-tiempo, solo para que en un siglo pudiéramos desarrollar tecnología e intentar detectarlas realmente. Su descubrimiento confirmará otro supuesto de la teoría general de la relatividad y nos ayudará en el futuro a encontrar respuestas a algunos de los rompecabezas más desagradables que enfrentan los astrofísicos y los cosmólogos.
La detección directa de ondas gravitacionales es, sin duda, un evento digno del Premio Nobel, y la comunidad científica no tiene dudas de que este logro estará a la par con el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 y posiblemente incluso con el concepto de Edwin Hubble sobre la expansión del Universo en 1929.
Es curioso que sugirió que diferentes fenómenos cósmicos crearán ondas gravitacionales de diferente frecuencia. La astronomía moderna se enfoca en el uso del espectro electromagnético para explorar el Universo. Tradicionalmente, los astrónomos utilizaban la parte visible de la luz del espectro electromagnético para abrir planetas e incluso mirar galaxias vecinas. Con el desarrollo de métodos astronómicos y la modernización de la tecnología, los astrónomos comenzaron a estudiar ondas de diferentes frecuencias, como los rayos X, para ver los eventos de energía alrededor de los agujeros negros y la radiación infrarroja, para observar las nebulosas que forman estrellas.
Pero la detección directa de las ondas de gravedad será un cambio de paradigma. Con un número suficiente de detectores de ondas gravitacionales, podremos "ver" objetos y objetos que permanecen invisibles para el espectro electromagnético. Dos agujeros negros que chocan, por ejemplo, no pueden crear una gran cantidad de radiación electromagnética, pero pueden crear una gran señal de ondas gravitacionales. Y, al igual que la radiación electromagnética, la frecuencia de las ondas gravitacionales describirá la naturaleza de los fenómenos que las generan. En última instancia, podremos crear un mapa gravitacional del Universo cercano con fenómenos temporales, como supernovas, y pulsaciones periódicas de la rotación de los agujeros negros. Las ondas gravitacionales astronómicas crearán una revolución en nuestra percepción del universo.
