En busca de la música del universo: ondas gravitacionales

Brizuela Cieza, David

Fisika Teorikoa eta Zientziaren Historia saileko irakaslea (EHU)

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Choque entre dos agujeros negros. Realizan órbitas elípticas alrededor de su centro de masas. Mientras tanto, emiten ondas gravitacionales y pierden energía. Esto hace que esté más cerca uno del otro, hast

Hace unos 1.000 millones de años, la Tierra estaba finalizando el período geológico del Proterozoico. La vida no fue compleja, pero existían organismos simples y nuestra atmósfera se estaba llenando de oxígeno, el planeta se estaba convirtiendo en idóneo para organismos más complejos.

Mientras tanto, en el otro extremo del universo, dos enormes agujeros negros de 30 km de radio giraban uno alrededor del otro, dando paso a uno de los episodios más violentos del universo. La distancia entre ellos rondaba los 350 km y las velocidades relativas eran de 100.000 km/s. Sólo faltaba un momento (0,2 segundos) para chocar y formar un único agujero negro. A medida que se movían, producían grandes deformaciones en continuo espacio. Si pudiéramos ser testigos de este proceso, los intervalos de tiempo medidos y las distancias espaciales se verían reducidos y crecientes periódicamente a medida que el campo gravitacional se adapta a las variaciones de los agujeros negros. Esas son precisamente las ondas gravitacionales que fueron emitidas por estos gigantes después de unos pocos segundos. Fue entonces cuando esta perturbación comenzó su viaje por el universo.

Mientras tanto, nuestra atmósfera se estabilizó formando organismos vivos más complejos en la tierra. Entre ellos, hace menos de un millón de años, los humanos, que, dotados de pensamientos abstractos, empezaron a construir teorías con la intención de comprender la naturaleza. En cuanto a la gravitación, en el último siglo hemos aprendido mucho. De hecho, la existencia de ondas gravitacionales no fue aceptada hasta la década de 1950. Pero la mayoría de los científicos de entonces pensaba que sería imposible detectarlos, sus efectos son tan pequeños. Sin embargo, la historia no tardó mucho en desmotivar a estos científicos.

De hecho, el 14 de septiembre de 2015, dos detectores de LIGO (desde el inglés, Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser) midieron una señal: sus brazos de 4 km estaban vibrando, estirando y acortando. Este cambio de longitud era mínimo (menor que el tamaño de un protón), pero medible con la tecnología desarrollada para LIGO. Tras el análisis de la señal se concluyó que se detectó una onda gravitacional formada por la colisión entre dos agujeros negros. La señal generada por estos dos agujeros negros, tras un largo viaje, acabó llegando a la Tierra y de hecho hemos sido testigos de su impacto.

Relatividad general

En 1915, Albert Einstein publicó una nueva teoría para describir la interacción gravitatoria: la relatividad general [1]. Describía perfectamente los efectos hasta entonces conocidos. Pero, además, la teoría ocultaba una serie de consecuencias inesperadas. Entre ellas, las ondas gravitacionales: las vibraciones del espacio-tiempo continuo.

Al moverse por el tiempo espacial deformado por el Sol, la Tierra realiza órbitas curvas en lugar de seguir líneas rectas. ED. : T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab.

Para describir la interacción gravitatoria, la relatividad general supone que vivimos en un continuum en cuatro dimensiones. Las tres dimensiones habituales son las espaciales (profundidad, anchura y altura) y la cuarta el tiempo. Este continuum se deforma cuando ponemos en él la energía o la masa. Al igual que cuando ponemos un peso en el centro a una malla elástica, si soltamos una pelota sobre la red, ésta cae hacia el cuerpo central, siguiendo un movimiento curvo. Eso es lo que les ocurre a los planetas cuando se mueven en un tiempo espacial deformado por el Sol. En lugar de moverse correctamente, realizan órbitas curvas. Por lo tanto, la relatividad general explica la interacción gravitatoria como una deformación del espacio-tiempo continuo.

En cuanto a las ondas gravitacionales, Einstein las predijo en los años posteriores a la publicación de su teoría [2-3], y Oliver Heavid y Henri Poincaré dieron a la idea postulada anteriormente [4-5] una formulación matemática precisa. Al igual que las cargas eléctricas aceleradas emitían ondas electromagnéticas (luz), las masas aceleradas también deberían emitir ondas gravitacionales. Cuando los cuerpos se mueven, la deformación que producen en un tiempo espacial continuo va cambiando, y ese cambio se transmite a través del continuum, como las olas que produce un barco cuando se mueve en el mar.

Pero, ¿las ondas gravitacionales pueden calentar un vaso de agua?

En las siguientes cuatro décadas se produjo un profundo debate científico sobre la existencia de estas ondas. El formalismo matemático de la relatividad general era tan complejo que era muy difícil deducir de ella interpretaciones físicas claras. Resumiendo, la pregunta era: ¿esas ondas que se presentaban matemáticamente en teoría eran físicas? Es decir, ¿transportan energía?

El propio Einstein ha cambiado varias veces de opinión. En 1936 intentó publicar, junto a su colaborador Nathan Rosen, la demostración matemática que negaba la existencia de ondas gravitacionales. El artículo no fue aprobado en la prestigiosa revista Physical Review, pero sus conclusiones fueron modificadas y publicadas en otra revista [6], concluyendo que entonces encontraron un tipo de onda especial (hoy en día se denominan ondas de Einstein-Ros). Finalmente, en la década de 1950, varios físicos consiguieron pruebas teóricas innegables de la existencia de las ondas gravitacionales [7-8].

El siguiente paso era la detección experimental de estas ondas. Las ondas más energéticas se producen cuando se producen episodios astrofísicos violentos (en la colisión de objetos compactos o al comienzo del universo), debido a la gran deformación del tiempo espacial. Pero se necesita una precisión enorme para medir las deformaciones que producen estas ondas al llegar a la Tierra: La distancia de la Tierra a la estrella más cercana equivale a medirla con el error de la anchura de un pelo. Sin embargo, en años posteriores se detectaron estas ondas en dos experimentos conocidos.

Pulsera Hulse-Taylor

Un pulsar emite radiación desde sus polos magnéticos. En la imagen aparece un pulsar que gira alrededor de otra estrella. El sistema, mediante el envío de ondas gravitacionales, pierde energía y disminuye la distancia entre las estrellas. ED. : ESO/L. Calçada.

Un pulsar es una estrella de muy alta densidad y pequeño tamaño (radio 10-100 km) que gira muy rápido alrededor de su eje (tarda unos segundos en dar una vuelta completa). El campo magnético que lo rodea es muy grande y emite radiación electromagnética (luz). Esta radiación sale de los polos magnéticos, lo que da forma de faro a estas estrellas que giran y emiten dos rayos de luz en dirección contraria.

En 1974, los astrónomos Russel Hulse y Joseph Taylor estaban estudiando un pulsar tan típico. Giraba cada segundo 17 veces alrededor de su eje, normal entre estas estrellas, por lo que tenía un período de 59 milisegundos (intervalo entre dos pulsos). Ese pulsar tenía la particularidad de que estaba en órbita alrededor de otra estrella.

Observando esto, se concluyó que dos estrellas realizaban órbitas elípticas alrededor de su centro de masas, pero que también se estaba reduciendo la distancia entre ambas. Para que esta aproximación se produjera, el sistema debía estar perdiendo energía, y la única forma de hacerlo era mediante la emisión de ondas gravitacionales. Probaron esta hipótesis y comprobaron que los datos experimentales se ajustaban con gran precisión a la pérdida de energía prevista por la relatividad general [9]. Es por tanto la primera observación de las ondas gravitacionales, por lo que Hulse y Taylor recibieron el premio Nobel de Física de 1993.

Medidas por interferometría

Pero la observación de Hulse y Taylor no fue directa, sino indirecta. Es decir, las ondas gravitacionales fueron necesarias para explicar la dinámica de este sistema binario, pero todavía no había dispositivos para su detección.

En la década de los 90 se propuso que las ondas gravitacionales podían medirse mediante interferometría y se construyeron varios detectores (LIGO en Estados Unidos [10], VIRGO en Italia [11] y GEO-600 en Alemania [12]). Todos ellos se basaron en que las deformaciones relativas que producen las ondas gravitacionales son muy pequeñas, por lo que habrá que deformar algo muy grande. Por ello, los detectores están formados por dos brazos perpendiculares de 3-4 km. Además, se utiliza un láser para medir con precisión la longitud de cada brazo. El láser se envía desde el punto de encuentro de los brazos y, una vez reflejado en un espejo situado al final de cada brazo, vuelve al origen. Finalmente, se superponen los rayos láser que vuelven de cada brazo. Mientras no varíen las longitudes de los brazos, el sobrenadante de los rayos no variará, pero cuando la longitud cambie, quedará visible en el perfil que genera la superposición.

Las siguientes imágenes muestran los dos detectores de ondas gravitacionales de LIGO con brazos de 4 km de longitud. Se construyeron dos copias iguales, una en Luisiana y otra en Washington, para descartar los matorrales que pueden causar los efectos locales. ED. : Caltech/MIT/LIGO Lab.

Esa es la teoría. Sin embargo, en la actividad se han tenido que resolver muchos problemas tecnológicos para mejorar la sensibilidad de estos detectores y detectar las ondas gravitacionales. Tras muchos años de trabajo, el equipo LIGO consiguió finalmente, en 2015, alcanzar la sensibilidad para medir las ondas gravitacionales y detectar directamente la primera onda gravitacional [13]. Este resultado ha sido uno de los descubrimientos científicos más importantes del último siglo. De hecho, el premio Nobel de Física 2017 fue otorgado por los científicos Barry Barish, Kip Thorne y Rainer Weiss por liderar este proyecto.

Astronomía por ondas gravitacionales

Hasta ahora hemos observado el universo a través de ondas electromagnéticas (luz visible, rayos infrarrojos, rayos X, ondas de radio...), pero estábamos sordos en cuanto a las ondas gravitacionales. Este tipo de ondas se producen en fenómenos muy energéticos como el choque entre agujeros negros o estrellas densas y el comienzo del universo. Además, se mueven a través de la materia, con una pérdida de energía muy baja, por lo que a pesar de haber atravesado ondas distantes, estrellas y galaxias enteras, llegan a nosotros con su forma original prácticamente inalterada.

Esperamos que en las próximas décadas se detecten de forma sistemática estas ondas. Su análisis nos permitirá obtener información muy útil sobre los procesos más violentos del universo y estudiar las propiedades básicas del espacio-tiempo continuo. Seguro que no faltará sorpresas.

Bibliografía

[1] A. Einstein, Feldgleichungen der Gravitation, Preussische Akadie der Wissenschaften, Sitzungsberichte, 844 (1915).
[2] A. Einstein, Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation, Preussische Akadie der Wissenschaften, Sitzungsberichte, 688 (1916).
[3] A. Einstein, Gravitationswellen, Preussische Akadie der Wissenschaften, Sitzungsberichte, 154 (1918).
[4] O. Heaviside, A gravitational and electromagnetic analogy, The Electrician 31, 281 (1893).
[5] H. Poincare, Sur la dynamique de l’électron, Comptes Rendus de l’Académie des Sciences 140, 1504 (1905).
[6] A. Einstein y N. Rosen, On gravitational waves, Journal of the Franklin Institute 223, 43 (1937).
[7] F. A. R. Pirani, On the physical significance of the Riemann tensor, Acta Physica Polonica 15, 389 (1956).
[8] H. Bondi, Plane gravitational waves in general relativity, Nature 179, 1072 (1957).
[9] R. A. Hulse y J. H. Taylor, Discovery of a pulsar in a binary system, Astrophysical Journal 195, 51 (1975).
[10] https://www.ligo.org/
[11] http://www.virgo-gw.eu/
[12] http://www.geo600.org/
[13] B. P. Abbott et al., Observation of gravitational waves from a binary black hole merger, Physical Review Letters 116, 061102 (2016).

Trabajo presentado a los premios CAF-Elhuyar.

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