viernes, 19 de febrero de 2016

Ondas Gravitacionales

Arribo de Ondas Gravitacionales a LIGO

Fig 1. Esquematización, mediante un entramado de líneas, de la deformación que sufre
 el espacio-tiempo alrededor de un cuerpo masivo (planeta a la izquierda y  estrella a la derecha).

Fig. 2. Albert Einstein, el creador de la Teoría General de la Relatividad. Representación de la confitería criolla en el cumpleaños del autor del presente blog. Diseño de Nayarit D. Escalona T.

Por fin se despliega el velo sobre las ondas gravitacionales. Cualquier cuerpo masivo establece un campo gravitacional que se extiende en la geometría deformada del espacio-tiempo que le rodea, como se muestra en la figura 1. Cuando tal espacio-tiempo se perturba por cualquier motivo, se generan ondas gravitacionales que viajan a la velocidad de la luz. Se sabía de su existencia, el grande de la física del siglo xx las predijo hace 100 años. Fueron magistralmente postuladas por Albert Einstein (figura 2) en 1916 a partir de su Teoría General de la Relatividad como la perturbación del espacio-tiempo que rodea objetos masivos, durante la ocurrencia de grandes cataclismos gravitacionales. Bajo tales circunstancias, la radiación producida en forma de ondas, producto de la subsecuente conversión de la masa en energía en ciertos casos, perturba y deforma el espacio-tiempo a medida que se propagan a la velocidad de la luz. A su paso, todo cuerpo material se encoge y estira en forma ondulante. Un velero flotando en la superficie del agua sube y baja al vaivén de las olas, un electrón vibra sumergido en el campo electromagnético de la luz, las placas tectónicas de la Tierra ondulan cual olas al ritmo las de ondas sísmicas, las partículas del aire se bambolean al paso de las ondas sonoras, y los objetos materiales cambian sus dimensiones al compás de la frecuencia de las ondas gravitacionales que los abordan. 

    Varios son los mecanismos que generan ondas gravitacionales, a saber:  objetos masivos (estrellas de neutrones, parejas de agujeros negros orbitando uno alrededor del otro) muy acelerados, colisión de agujeros negros, colapso de núcleos estelares (supernovas), coalescencia de estrellas de neutrones o enanas blancas, y a partir de remanentes de radiación gravitacional liberada durante la creación del Universo.

Fig. 3 Simulación de los dos agujeros negros antes de fusionarse, 

El 14 de septiembre de 2015 fue detectada su primera señal por LIGO (Laser Interferometer Gravitation Observatory; en español, Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales) proveniente del choque de dos agujeros negros (figura 3) –restos de estrellas supermasivas que han explotado- a 1.300 millones de años luz de distancia de la Tierra; es decir, después del evento, la señal viajando a la velocidad de la luz tardó mil trescientos millones de años en llegar a nuestro sistema solar. El 11 de febrero de 2016 se certificó que la señal detectada realmente provenía de una onda gravitacional. Dos detectores LIGO separados 3.000 entre sí, registraron por separado la señal. Tal evidencia no dejó duda sobre la  existencia de las ondas gravitacionales.

Fig. 4  Señales de las ondas gravitacionales detectadas (curvas gruesas) y predichas por la teoría (curvas delgadas). Los arreglos son de los autores del presente blog a partir de la información disponible en la página oficial de LIGO en: https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20160211a

En la figura 4 se muestran las señales de las ondas gravitacionales detectadas (curvas gruesas) por los observatorios LIGO ubicados en Livingston (Louisiana, USA) y Hanford (Washington, USA), provenientes de los dos agujeros negros de aproximadamente 30 veces la masa del Sol, que se fusionaron a 1.3 millones de años luz de distancia, así como las predicciones (curvas delgadas) de la teoría general de la relatividad de Einstein. En el eje X se representa el tiempo, y en el eje Y Strain (10-21), representa la fracción en que fueron distorsionadas las distancias al paso de la onda.  Las dos curvas gruesas inferiores de la figura muestra el corrimiento temporal entre las dos señales recibidas en ambos observatorios separados una distancia de 3.000 km entre sí (ver figuras 5, 6a y 6b). La señal llegó primero a Livingston y 0,007 segundos después fue detectada en Handfor. Esta coincidencia demuestra sin lugar a dudas que se trataba de la misma señal. Es asombrosa la coincidencia entre la predicción de Einstein (curvas delgadas) y la señal captada (curvas gruesas).

Fig. 5 Ubicación de los observatorios en Estados Unidos: Hanford Livingston (Louisiana), arriba a la izquierda y Livingston (Washington), abajo a la derecha. Están separados 3.000 km, como se indica con la linea roja. Fotografía hecha con  Google Earth.

Fig. 6a Observatorio LIGO en Hanford.Fotografía hecha con  Google Earth.

Fig 6b Observatorio LIGO en Livingston.Fotografía hecha con  Google Earth.


En el siguiente video realizado con Google Earth se puede apreciar la ubicación de cada observatorio en Estados Unidos.

   

El video que sigue a continuación, cortesía de LIGO (Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=FlDtXIBrAYE), ilustra lo descrito en el texto de arriba. Se pueden activar los subtítulos en ingles con la tecla engranaje.



Este otro da una excelente explicación gráfica de las ondas gravitacionales y sus efectos sobre la materia.

    


Bibliografía:

B. P. Abbott et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole MergerPhys. Rev. Lett. 116 , 061 102.