En busca da música do universo: ondas gravitacionales

Brizuela Cieza, David

Fisika Teorikoa eta Zientziaren Historia saileko irakaslea (EHU)

unibertsoaren-musikaren-bila-uhin-grabitazionalak
Choque entre dous buracos negros. Realizan órbitas elípticas ao redor do seu centro de masas. Mentres tanto, emiten ondas gravitacionales e perden enerxía. Isto fai que estea má

Fai uns 1.000 millóns de anos, a Terra estaba a finalizar o período xeolóxico do Proterozoico. A vida non foi complexa, pero existían organismos simples e a nosa atmosfera estaba a encherse de osíxeno, o planeta estaba a converterse en idóneo paira organismos máis complexos.

Mentres tanto, no outro extremo do universo, dous enormes buracos negros de 30 km de radio viraban un ao redor do outro, dando paso a un dos episodios máis violentos do universo. A distancia entre eles roldaba os 350 km e as velocidades relativas eran de 100.000 km/s. Só faltaba un momento (0,2 segundos) paira chocar e formar un único buraco negro. A medida que se movían, producían grandes deformacións en continuo espazo. Se puidésemos ser testemuñas deste proceso, os intervalos de tempo medidos e as distancias espaciais veríanse reducidos e crecentes periodicamente a medida que o campo gravitacional adáptase ás variacións dos buracos negros. Esas son precisamente as ondas gravitacionales que foron emitidas por estes xigantes despois duns poucos segundos. Foi entón cando esta perturbación comezou a súa viaxe polo universo.

Mentres tanto, a nosa atmosfera estabilizouse formando organismos vivos máis complexos na terra. Entre eles, fai menos dun millón de anos, os humanos, que, dotados de pensamentos abstractos, empezaron a construír teorías coa intención de comprender a natureza. En canto á gravitación, no último século aprendemos moito. De feito, a existencia de ondas gravitacionales non foi aceptada até a década de 1950. Pero a maioría dos científicos de entón pensaba que sería imposible detectalos, os seus efectos son tan pequenos. Con todo, a historia non tardou moito en desmotivar a estes científicos.

De feito, o 14 de setembro de 2015, dous detectores de LIGO (desde o inglés, Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser) mediron una sinal: os seus brazos de 4 km estaban a vibrar, estirando e acurtando. Este cambio de lonxitude era mínimo (menor que o tamaño dun protón), pero medible coa tecnoloxía desenvolvida paira LIGO. Tras a análise do sinal concluíuse que se detectou una onda gravitacional formada pola colisión entre dous buracos negros. O sinal xerado por estes dous buracos negros, tras unha longa viaxe, acabou chegando á Terra e de feito fomos testemuñas do seu impacto.

Relatividad xeneral

En 1915, Albert Einstein publicou una nova teoría paira describir a interacción gravitatoria: a relatividad xeneral [1]. Describía perfectamente os efectos até entón coñecidos. Pero, ademais, a teoría ocultaba una serie de consecuencias inesperadas. Entre elas, as ondas gravitacionales: as vibracións do espazo-tempo continuo.

Ao moverse polo tempo espacial deformado polo Sol, a Terra realiza órbitas curvas en lugar de seguir liñas rectas. ED. : T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab.

Paira describir a interacción gravitatoria, a relatividad xeneral supón que vivimos nun continuum en catro dimensións. As tres dimensións habituais son as espaciais (profundidade, anchura e altura) e a cuarta o tempo. Este continuum se deforma cando pomos nel a enerxía ou a masa. Do mesmo xeito que cando pomos un peso no centro a unha malla elástica, se soltamos una pelota sobre a rede, esta cae cara ao corpo central, seguindo un movemento curvo. Iso é o que lles ocorre aos planetas cando se moven nun tempo espacial deformado polo Sol. En lugar de moverse correctamente, realizan órbitas curvas. Por tanto, a relatividad xeneral explica a interacción gravitatoria como una deformación do espazo-tempo continuo.

En canto ás ondas gravitacionales, Einstein predíxoas nos anos posteriores á publicación da súa teoría [2-3], e Oliver Heavid e Henri Poincaré deron á idea postulada anteriormente [4-5] una formulación matemática precisa. Do mesmo xeito que as cargas eléctricas aceleradas emitían ondas electromagnéticas (luz), as masas aceleradas tamén deberían emitir ondas gravitacionales. Cando os corpos móvense, a deformación que producen nun tempo espacial continuo vai cambiando, e ese cambio transmítese a través do continuum, como as ondas que produce un barco cando se move no mar.

Pero, as ondas gravitacionales poden quentar un vaso de auga?

Nas seguintes catro décadas produciuse un profundo debate científico sobre a existencia destas ondas. O formalismo matemático da relatividad xeneral era tan complexo que era moi difícil deducir dela interpretacións físicas claras. Resumindo, a pregunta era: esas ondas que se presentaban matematicamente en teoría eran físicas? É dicir, transportan enerxía?

O propio Einstein cambiou varias veces de opinión. En 1936 tentou publicar, xunto ao seu colaborador Nathan Rosen, a demostración matemática que negaba a existencia de ondas gravitacionales. O artigo non foi aprobado na prestixiosa revista Physical Review, pero as súas conclusións foron modificadas e publicadas noutra revista [6], concluíndo que entón atoparon un tipo de onda especial (hoxe en día denomínanse ondas de Einstein-Ros). Finalmente, na década de 1950, varios físicos conseguiron probas teóricas innegables da existencia das ondas gravitacionales [7-8].

O seguinte paso era a detección experimental destas ondas. As ondas máis enerxéticas prodúcense cando se producen episodios astrofísicos violentos (na colisión de obxectos compactos ou ao comezo do universo), debido á gran deformación do tempo espacial. Pero se necesita una precisión enorme paira medir as deformacións que producen estas ondas ao chegar á Terra: A distancia da Terra á estrela máis próxima equivale a medila co erro da anchura dun pelo. Con todo, en anos posteriores detectáronse estas ondas en dous experimentos coñecidos.

Pulseira Hulse-Taylor

Un pulsar emite radiación desde os seus polos magnéticos. Na imaxe aparece un pulsar que vira ao redor doutra estrela. O sistema, mediante o envío de ondas gravitacionales, perde enerxía e diminúe a distancia entre as estrelas. ED. : ISO/L. Calçada.

Un pulsar é una estrela de moi alta densidade e pequeno tamaño (radio 10-100 km) que vira moi rápido ao redor do seu eixo (tarda uns segundos en dar una volta completa). O campo magnético que o rodea é moi grande e emite radiación electromagnética (luz). Esta radiación salgue dos polos magnéticos, o que dá forma de faro a estas estrelas que viran e emiten dous raios de luz en dirección contraria.

En 1974, os astrónomos Russel Hulse e Joseph Taylor estaban a estudar un pulsar tan típico. Viraba cada segundo 17 veces ao redor do seu eixo, normal entre estas estrelas, polo que tiña un período de 59 milisegundos (intervalo entre dous pulsos). Ese pulsar tiña a particularidade de que estaba en órbita ao redor doutra estrela.

Observando isto, concluíuse que dúas estrelas realizaban órbitas elípticas ao redor do seu centro de masas, pero que tamén se estaba reducindo a distancia entre ambas. Para que esta aproximación producísese, o sistema debía estar a perder enerxía, e a única forma de facelo era mediante a emisión de ondas gravitacionales. Probaron esta hipótese e comprobaron que os datos experimentais axustábanse con gran precisión á perda de enerxía prevista pola relatividad xeneral [9]. É por tanto a primeira observación das ondas gravitacionales, polo que Hulse e Taylor recibiron o premio Nobel de Física de 1993.

Medidas por interferometría

Pero a observación de Hulse e Taylor non foi directa, senón indirecta. É dicir, as ondas gravitacionales foron necesarias paira explicar a dinámica deste sistema binario, pero aínda non había dispositivos paira a súa detección.

Na década dos 90 propúxose que as ondas gravitacionales podían medirse mediante interferometría e construíronse varios detectores (LIGO en Estados Unidos [10], VIRGO en Italia [11] e GEO-600 en Alemaña [12]). Todos eles baseáronse en que as deformacións relativas que producen as ondas gravitacionales son moi pequenas, polo que haberá que deformar algo moi grande. Por iso, os detectores están formados por dous brazos perpendiculares de 3-4 km. Ademais, utilízase un láser paira medir con precisión a lonxitude de cada brazo. O láser envíase desde o punto de encontro dos brazos e, una vez reflectido nun espello situado ao final de cada brazo, volve á orixe. Finalmente, se superponen os raios láser que volven de cada brazo. Mentres non varíen as lonxitudes dos brazos, o sobrenadante dos raios non variará, pero cando a lonxitude cambie, quedará visible no perfil que xera a superposición.

As seguintes imaxes mostran os dous detectores de ondas gravitacionales de LIGO con brazos de 4 km de lonxitude. Construíronse dúas copias iguais, una en Luisiana e outra en Washington, paira descartar as matogueiras que poden causar os efectos locais. ED. : Caltech/MIT/LIGO Lab.

Esa é a teoría. Con todo, na actividade tivéronse que resolver moitos problemas tecnolóxicos paira mellorar a sensibilidade destes detectores e detectar as ondas gravitacionales. Tras moitos anos de traballo, o equipo LIGO conseguiu finalmente, en 2015, alcanzar a sensibilidade paira medir as ondas gravitacionales e detectar directamente a primeira onda gravitacional [13]. Este resultado foi un dos descubrimentos científicos máis importantes do último século. De feito, o premio Nobel de Física 2017 foi outorgado polos científicos Barry Barish, Kip Thorne e Rainer Weiss por liderar este proxecto.

Astronomía por ondas gravitacionales

Até agora observamos o universo a través de ondas electromagnéticas (luz visible, raios infravermellos, raios X, ondas de radio...), pero estabamos xordos en canto ás ondas gravitacionales. Este tipo de ondas prodúcense en fenómenos moi enerxéticos como o choque entre buracos negros ou estrelas densas e o comezo do universo. Ademais, móvense a través da materia, cunha perda de enerxía moi baixa, polo que a pesar de atravesar ondas distantes, estrelas e galaxias enteiras, chegan a nós coa súa forma orixinal practicamente inalterada.

Esperamos que nas próximas décadas detéctense de forma sistemática estas ondas. A súa análise permitiranos obter información moi útil sobre os procesos máis violentos do universo e estudar as propiedades básicas do espazo-tempo continuo. Seguro que non 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] Ou. Heaviside, A gravitational and electromagnetic analogy, The Electrician 31, 281 (1893).
[5] H. Poincare, Sur a dynamique de l’électron, Comptes Rendus de l’Académie deas Sciences 140, 1504 (1905).
[6] A. Einstein e 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 xeneral relativity, Nature 179, 1072 (1957).
[9] R. A. Hulse e 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 ao., Observation of gravitational waves from a binary black hole merger, Physical Review Letters 116, 061102 (2016).

Traballo presentado aos premios CAF-Elhuyar.

Gehitu iruzkin bat

Saioa hasi iruzkinak uzteko.