ondas gravitacionales
En física una onda gravitacional es una ondulación del espacio-tiempo producida por un cuerpo masivo acelerado. Las ondas gravitacionales constituyen una consecuencia de la teoria de la relatividad general de Einstein y se transmiten a la velocidad de la luz.
La primera vez que fueron observadas de forma directa fue el 14 de septiembre de 2015 por el experimento LIGO y, tras un análisis minucioso de los resultados, el descubrimiento fue anunciado al público el 11 de febrero de 2016, 100 años después de que Einstein predijera su existencia.1 La detección de ondas gravitatorias constituye una nueva e importante validación de la teoría de la relatividad general.
Anteriormente a su descubrimiento, sólo se conocía evidencias indirectas de ellas, como el decaimiento del periodo orbital observado en un púlsar binario.2 En marzo de 2014, el experimento BICEP2 anunció la detección de modos-B en la polarización del fondo cósmico de microondas, lo que sugería una prueba indirecta de ondas gravitatorias primordiales.3 Los estudios combinados con el telescopioPLANCK desvelaron que los resultados de BICEPS2 podían ser explicados por la interferencia del polvo cósmico, por lo que los resultados de BICEP2 se dejaron de lado a falta de más evidencia.4
Las ondas gravitatorias constituyen fluctuaciones generadas en la curvatura del espacio-tiempo que se propagan como ondas a la velocidad de la luz. La radiación gravitatoria se genera cuando dichas ondas son emitidas por ciertos objetos o por sistemas de objetos que gravitan entre sí.
Fondo teórico
La relatividad general es una teoría de la gravedad que resulta consistente con la relatividad especial en muchos aspectos y, en particular, con el principio de que nada viaja más rápido que la luz. Esto significa que los cambios en el campo gravitatorio no pueden ocurrir en todas partes instantáneamente: deben propagarse. En la relatividad general se propagan a exactamente la misma velocidad que las ondas electromagnéticas de vacío: la velocidad de la luz. A estos cambios que se propagan se les llama ondas gravitatorias.
La radiación gravitatoria es una predicción central de la relatividad general y su detección es una prueba clave de la integridad de la estructura teórica de la obra de Einstein. Sin embargo, en el largo plazo, su importancia como instrumento para la observación astronómica es probable que sea aún más importante. Se tiene una excelente evidencia de observación del sistema pulsar binario Hulse-Taylor que las predicciones de la relatividad general sobre la radiación gravitatoria son cuantitativamente correctas. Sin embargo, tenemos una información incompleta de la astronomía hoy sobre las posibles fuentes de radiación detectable.
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 astrónomos han descubierto fenómenos completamente inesperados. Esto parece igual de probable que vuelva a ocurrir con las ondas gravitatorias, especialmente porque las ondas gravitatorias llevan algunos tipos de información que la radiación electromagnética no puede transmitir. Las ondas gravitatorias son generadas por los movimientos aparentes de las masas, que codifican las distribuciones de masa y velocidades. Son coherentes y sus frecuencias bajas reflejan los tiempos dinámicos de sus fuentes.
Las ondas gravitatorias son muy débiles. Las más fuertes que se podría esperar observar en la Tierra serían generadas por acontecimientos muy distantes y antiguos, como la colisión de dos estrellas de neutrones o la colisión de dos agujeros negros súper masivos, en los cuales una gran cantidad de energía se movió violentamente. Tal onda debería causar cambios relativos en distancia por todas partes en la Tierra, pero estos cambios están en un orden de menos de una parte en 1021.
Diferencias y similitudes con las ondas electromagnéticas
En contraste, las ondas electromagnéticas vienen de electrones individuales que ejecutan movimientos complejos y, en parte, al azar dentro de sus fuentes. Son incoherentes y fotones individuales deben ser interpretados como muestras del gran conjunto estadístico de los fotones que se emiten. Sus frecuencias son determinadas por microfísica en ellos. A partir de observaciones electromagnéticas, podemos provocar inferencias acerca de esta estructura sólo a través de una cuidadosa modelación de la fuente. Las ondas gravitatorias, por el contrario, llevan información cuya conexión a la estructura de la fuente y el movimiento es bastante directa.
Un buen ejemplo es el de los agujeros negros masivos en los núcleos galácticos. A partir de observaciones que abarcan todo el espectro electromagnético, desde las ondas de radio a los rayos X, los astrofísicos han inferido que los agujeros negros de masas hasta mil millones de masas solares son responsables de las emisiones de cuásares y controlan los chorros que alimentan las regiones de emisión de radio gigantes. La evidencia de un agujero negro es muy indirecta: ningún otro objeto conocido puede contener tanta masa en un volumen tan pequeño. Observaciones de ondas gravitatorias nos hablarían de la dinámica de los propios agujeros negros, ofreciendo firmas únicas de las que se podrían medir sus masas y sus frecuencias vibratorias. Resulta evidente que la interacción de las observaciones electromagnéticas y gravitatorias enriquecerá muchas ramas de la astronomía.
Objetos emisores de ondas gravitatorias[editar]
La amplitud predicha para estas ondas y los efectos observables que podrían producir son muy débiles, de modo que su detección directa es extremadamente difícil. Si existen las ondas gravitatorias su amplitud sería muy inferior al ruido vibracional procedente de otras fuentes. Tan sólo los fenómenos más violentos del Universo podrían producir ondas gravitatorias susceptibles de ser detectadas.
Los objetos que deberían emitir ondas de gravedad detectables de manera directa son objetos muy masivos sometidos a fuertes aceleraciones o cuerpos masivos no homogéneos rotando a gran velocidad. Se espera poder encontrar ondas gravitatorias producidas en fenómenos cataclísmicos como:
- La explosión de una supernova.
- La formación de un agujero negro.
- El choque de cuerpos masivos como estrellas de neutrones o la coalescencia de agujeros negros.
- La rotación de una estrella de neutrones inhomogénea.
- Radiación gravitatoria remanente del Big Bang. Este último caso ofrecería datos únicos sobre la formación del Universo en el periodo anterior a la edad oscura del Universo en la que el Universo era opaco a la radiación electromagnética.
Evidencia experimental[editar]
La historia de la detección de ondas gravitatorias se inició en la década de 1960 con J. Webber en la Universidad de Maryland, donde se construyó el primer detector de barras: era un cilindro masivo de aluminio ( ~ 2·103 kg ) que funcionaba a temperatura ambiente (300 K) con una frecuencia de resonancia de aproximadamente 1600 Hz. Este primer prototipo tenía una sensibilidad moderada de alrededor 10-13 o 10-14.
A pesar de esta baja sensibilidad, a finales de 1960 Webber anunció la detección de una población de eventos coincidentes entre dos barras similares a una tasa mucho más alta de lo esperado si la fuente fuera el ruido instrumental. Esta noticia estimuló a otros grupos en Glasgow, Múnich, París, Roma, los Laboratorios Bell, Stanford, Rochester, LSU, MIT, Beijing y Tokio para construir y desarrollar detectores de barras para comprobar los resultados de Weber. Desgraciadamente, para Webber y para la idea de que las ondas gravitatorias eran fáciles de detectar, ninguno de los otros grupos confirmó las observaciones, que nunca se pudieron explicar. Sin embargo, la falta de confirmación no supuso evidencia contraria a la existencia de las ondas gravitatorias, ya que los cálculos teóricos pronosticaban que las señales serían demasiado débiles para que se pudieran observar con estos detectores.
Desde 1980 hasta 1994, el desarrollo de detectores tomó dos direcciones diferentes:
- Detectores de barras criogénicas, desarrollado principalmente en Roma / Frascati, Stanford , LSU y Perth (Australia). El mejor de estos detectores alcanza una sensibilidad de 10-19.
- El interferómetro , desarrollado en el MIT, Garching, Glasgow, Caltech y Tokio. La sensibilidad típica de estos prototipos era de 10-18. El experimento de Glasgow/Garching en 1989 fue el primero realizado con estos detectores.
Este descubrimiento experimental se considera como la demostración de la existencia de ondas gravitatorias. Por este motivo, Hulse y Taylor recibieron el Premio Nobel de Física del año 1993. Más recientemente (2005), se ha descubierto un segundo púlsar binario, PSR J0737-3039, cuyo comportamiento parece confirmar también las predicciones de la relatividad general con respecto a la energía emitida en forma de ondas gravitatorias. El púlsar binario tiene una órbita cuya distancia decae en unos 7 mm por día.
En marzo de 2014, astrónomos del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsoniano (CFA) anunciaron la detección por primera vez las ondas gravitatorias durante el período explosivo de crecimiento del universo llamado inflación. Los hallazgos fueron realizados con la ayuda delBICEP2, un telescopio situado en el Polo Sur, durante experimentos llevados a cabo desde 2006 que buscaban anomalías en la polarización de la radiación de fondo de microondas. Sin embargo, más adelante, otros grupos señalaron la presencia de unos artefactos experimentales que podrían afectar a las observaciones.5
El 11 de enero de 2016, saltaron rumores de una detección directa realizada en el LIGO. Un mes después esta detección fue confirmada por investigadores del LIGO, el 11 de febrero de 2016. Estas ondas gravitatorias fueron observadas por primera vez el 14 de septiembrede 2015, a las 5:51 am ET por ambos detectores LIGO. La fuente se identificó como una colisión masiva de dos agujeros negros que tuvo lugar hace 1.300 millones de años, a diferencia de las detecciones pasadas que fueron indirectas esta es la primera vez que se confirma la detección directa de ondas gravitatorias.6
Observatorios de ondas gravitatorias[editar]
Actualmente existen diferentes proyectos de observación de ondas gravitatorias, como LIGO (Estados Unidos), TAMA 300 (Japón), GEO 600 (Alemania y Reino Unido), o VIRGO (Francia e Italia). Los más pesimistas consideran que la detección real de ondas gravitatorias solo podrá ser realizada desde el espacio. Una misión espacial denominada LISA se encuentra en fase de estudio para constituir el primer observatorio espacial de ondas gravitatorias y podría estar operativo alrededor del 2020.
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