Detección de ondas gravitacionales: de la predicción a la realidad
Por David Oviedo
Asociación Larense de Astronomía (ALDA)
22 de enero de 2018
Durante mucho tiempo se ha observado hacia el cosmos con la ayuda de telescopios ópticos y progresivamente la disponibilidad de técnicas de observación, ha ido extendiendo nuestra visión, con la contribución de diversas herramientas e instrumentos que permiten la observación en otras longitudes de onda; logrando avistar cada vez sistemas estelares más distantes y pudiendo describir sus comportamientos.
Con los datos proporcionados por la observación, en gran medida, se puede contar con evidencia suficiente para teorizar sobre la formación de los sistemas bajo estudio y cómo estos evolucionaron con respecto al tiempo. Hoy en día, se cuentan con diversas herramientas para el estudio y comprensión del Universo, llevando la vanguardia de la investigación y observación, aquellas detecciones vinculadas a las ondas gravitacionales; siendo sin duda una forma completamente nueva de entender el Universo.
Las ondas gravitacionales son oscilaciones o vibraciones en la estructura espacio-tiempo originadas por algunos de los eventos más energéticos y exóticos del Universo, como lo son: colisiones y fusiones de cuerpos altamente masivos (estrellas muy masivas o agujeros negros). Conceptualmente, la primera aproximación a la idea de ondas gravitacionales, proviene de las especulaciones realizadas por Henri Poincaré en su obra “Sur la dynamique de l’électron”, publicada en el año 1905, en donde plantea que la acción de la gravedad no debe ser de carácter instantáneo (asumiendo que debería tener una velocidad) y esboza que su comportamiento sería similar al de una onda electromagnética, propagándose por el espacio a la velocidad de la luz.
Su existencia fue predicha por Albert Einstein en el año 1916, como parte de la formulación establecida en la Teoría General de la Relatividad. En el marco de este trabajo, Einstein interpreta y describe a las interacciones gravitatorias en función de la geometría del espacio-tiempo; de sus estudios se puede derivar, en un principio, que cualquier objeto en el espacio podría generar ondas en el tejido espacio-tiempo; de esta manera se estableció conceptualmente la idea de las ondas gravitacionales.
No obstante, como la gravedad es la más débil de todas las interacciones en el Universo, hace que su detección solo se pueda producir, en presencia de objetos altamente masivos y acelerados, ubicados en un punto del espacio, los cuales deben distorsionar el tejido espacio-tiempo generando perturbaciones que viajan a la velocidad de la luz a través del Universo, llevando consigo información sobre sus orígenes, así como importantes datos sobre el comportamiento y la naturaleza de la fuerza gravitatoria.
Concepción artística de las ondas gravitacionales. Crédito: T. Carnahan NASA.
A pesar de las dudas iniciales que Einstein mantenía sobre la existencia de las ondas gravitacionales, los astrofísicos tuvieron la tarea de entender el Universo con fundamento en las ecuaciones de Einstein giraron su mirada hacia una serie de objetos y fenómenos exóticos que no se podrían explicar sin considerar sus trabajos.
Poco después de la publicación de los estudios de Einstein, el físico alemán Karl Schwarzschild demostró que los trabajos teóricos desarrollados por Einstein admitían la existencia de unos objetos “extraños” tan masivos, densos y compactos que ni la luz podría escapar de su atracción gravitatoria, denominados posteriormente como agujeros negros; siendo hoy la principal fuente de ondas gravitacionales. Sin embargo, aunque no se haya visualizado directamente un agujero negro, los astrónomos han reunido una importante cantidad de evidencias sobre su existencia mediante el estudio de los efectos gravitatorios que generan en su entorno dichos candidatos a agujero negro.
Hace más de cuatro décadas, las ondas gravitacionales fueron detectadas de forma indirecta, cuando Joseph Taylor y Russell Hulse, descubrieron un pulsar (estrella de neutrones) que giraba en torno a otra estrella. Por este hallazgo fueron merecedores del premio Nobel de Física en el año 1993. Por medio de los datos arrojados por las observaciones realizadas en 1974, se pudo determinar los valores correspondientes a una gradual “variación de energía del sistema”. Se presumía que este cambio ocurría porque el sistema “perdía” energía en forma de ondas gravitacionales, de acuerdo con lo que Einstein predijo en sus trabajos de 1916. Para la época, las correlaciones existentes entre las variaciones energéticas observadas y los valores provenientes de los estudios teóricos del balance energético del sistema podían percibirse como una prueba indirecta de la existencia de ondas gravitacionales.
La tarea para su detección directa, está basada en la técnica de interferometría, un esquema que se sustenta en la colocación de espejos muy grandes, alejados entre sí por varios kilómetros. Los interferómetros son instrumentos ópticos que emplean la propiedad de interferencia de la luz, específicamente, para medir pequeñas diferencias en la distancia entre dos trayectorias de luz. Debido a su alta precisión, se utilizan ampliamente en la ciencia y otras industrias para realizar mediciones muy precisas de distancias increíblemente pequeñas o de grandes dimensiones. En ese sentido, a esos espejos se le envía un rayo láser que es reflejado y que al encontrarse con una onda gravitacional vibra muy ligeramente, generando desfases en los haces de luz y ocasionando una serie de patrones de interferencia; precisamente de allí proviene el nombre de la técnica.
Vista aérea del complejo Hanford. Crédito Caltech/LIGO Laboratory.
El descubrimiento y hallazgo de las señales correspondientes a ondas gravitacionales, tenían la potencialidad de convertirse en una nueva herramienta, que abriría un nuevo campo en la Astronomía, el cual permitiría estudiar el cosmos de una manera completamente diferente, que daría forma a nuevos enfoques en el entendimiento del Universo, bajo esta premisa se ha fundamentado la investigación de ondas gravitacionales, llegando su tan ansiado descubrimiento, a mediados del año 2015.
Detecciones: hito tras hito en la historia de la Física
La primera onda gravitacional detectada, fue captada por el Interferómetro Láser Avanzado de Observación de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés), este evento se produjo hace 1.300 millones de años, procedente de dos agujeros negros con una masa comprendida entre 29 y 36 veces la masa solar, que colisionaron violentamente en ese punto del tiempo y emitieron ondas gravitacionales que llegaron a la Tierra el 14 de septiembre de 2015, confirmando una predicción clave de la Teoría de la Relatividad de Einstein y abriendo una nueva etapa en la descripción y estudio del Universo.
La nomenclatura de las ondas gravitacionales es muy sencilla, en ese sentido los eventos asociados a este tipo de ondas, comienzan por GW (proveniente de gravitational wave) seguido por el año, mes y día; de esa manera el primer evento de ondas gravitacionales fue bautizado como: GW150914.
Concepción artística de la fusión de dos agujeros negros. Crédito: Aurore Simonnet/Sonoma State/Caltelch/MIT.
En cuanto a la segunda detección (GW151226), fue anunciada el 15 de junio de 2016, procedente de dos agujeros negros en colisión, con masas comprendidas entre las 14 y 8 masas solares, este hallazgo fue acompañado de una señal conocida como LVT151012 que hasta ahora no ha podido ser confirmada. Durante la fusión de ambos objetos, se produjo una cantidad de energía equivalente a la masa del Sol, que se transformó en términos de ondas gravitacionales. Las señales de ondas gravitacionales fueron avistadas por los observatorios gemelos de LIGO el 26 de diciembre de 2015, permitiendo obtener nuevos datos para el estudio y modelado del comportamiento de los agujeros negros y su entorno.
Con respecto a la tercera detección, fue realizada el 4 de enero de 2017, siendo anunciada el 01 de junio de 2017; esta observación de ondas gravitacionales fue producto de la colisión de dos agujeros negros con una masa situada entre 31 y 19 veces la masa del Sol para producir un único agujero negro de unas 49 masas solares situado a unos 3.000 millones de años-luz de la Tierra y fue fundamental para el descubrimiento y descripción de agujeros negros con una masa estelar superior a las 20 masas solares.
Para el 14 de agosto de 2017, se produce la cuarta detección y la primera observación de ondas gravitacionales por tres detectores diferentes, el fenómeno que generó a GW170814 fue la fusión de dos agujeros negros a 1.800 millones de años-luz. Este evento al ser detectado por tres observatorios en distintas latitudes supone el inicio de una nueva etapa de mayores detecciones y abre las puertas para una mejor localización de eventos cósmicos a partir de una sólida red global de observatorios de ondas gravitacionales.
La quinta detección de ondas gravitacionales, se produjo el 17 de agosto de 2017. El origen de dichas ondas, fue la fusión de dos estrellas de neutrones; esta señal gravitatoria, denominada como GW170817, tuvo su evento de origen a una distancia de 130 millones de años-luz de la Tierra. En el momento de la colisión, la mayor parte de las dos estrellas de neutrones se fusionaron en un cuerpo extremadamente denso, el cual debía emitir rayos gamma; de esta manera los investigadores esperaban lograr observaciones ópticas del fenómeno.
En ese sentido, la emisión electromagnética resultante de la colisión, también pudo ser registrada en múltiples bandas de longitud de onda, convirtiéndose en la primera ocasión en que un evento cósmico de ondas gravitacionales es confirmado posteriormente con observaciones en diferentes longitudes del espectro electromagnético. Esta detección tuvo un importante impacto a nivel de datos arrojados, ya que permitió relacionar los estallidos de rayos gamma y la fusión estelar, aportó información sobre el comportamiento de las estrellas de neutrones y a su vez sirvió como herramienta para la medición de la Edad del Universo.
GW170817 en NGC 4993, quinta detección de ondas gravitacionales.
Crédito NASA/ESA.
Detecciones de ondas gravitaciones comparadas con una imagen óptica de la Vía Láctea. Crédito: LIGO/Virgo/NASA/Leo Singer.
En relación a la sexta detección; también denominada como GW170608, las ondas gravitacionales generadas por el evento de fusión de agujeros negros fueron observadas por los detectores gemelos de LIGO el 8 de junio de 2017; siendo el sistema de agujeros negros más ligero observado hasta ahora, con masas de comprendidas entre 12 y 7 veces la masa solar.
Esta detección permitirá a los astrónomos comparar las propiedades de los agujeros negros en términos de las observaciones de ondas gravitacionales con los de agujeros negros de masa similar que previamente solo se habían detectado con estudios de rayos X. Es notable señalar, que esta detección sería el cuarto avistamiento de ondas gravitacionales, sin embargo por algunos contratiempos en su análisis y confirmación, fue anunciada como la sexta detección hecha por el LIGO.
Con cada descubrimiento, se abre un nuevo y tentador territorio hacia lo desconocido, que ha ido acompañado de un vertiginoso desarrollo instrumental, el cual permitirá cumplir con el objetivo de entender gradualmente la naturaleza, es así como la detección de ondas gravitacionales, marca sin duda, el comienzo de una nueva etapa en la Astronomía, ya que suma una nueva herramienta para observar los objetos más distantes, complementando aquellas técnicas con dependencia directa de la luz y otras formas de radiación electromagnética.
De esta manera, las ondas gravitacionales, contribuyen y seguirán contribuyendo, en allanar el camino para el estudio, descripción y comprensión de los fenómenos que son considerados como los más energéticos, violentos y exóticos del Universo, como lo son: estallidos de rayos gamma, fusión de estrellas de neutrones, la colisión de agujeros negros, las explosiones de supernovas e incluso el Big Bang.
Fuentes consultadas:
https://blogs.scientificamerican.com/sa-visual/ligo-and-gravitational-waves-a-graphic-explanation/
https://fr.wikisource.org/wiki/Sur_la_dynamique_de_l%E2%80%99%C3%A9lectron
https://www.ligo.org/index.php
https://www.ligo.org/detections.php
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20171115
https://www.nature.com/news/the-hundred-year-quest-for-gravitational-waves-in-pictures-1.19340
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2017/advanced-physicsprize2017.pdf
https://phys.org/news/2018-01-gravitational-universe.html