¡Encontrado! Ondas gravitacionales o una arruga en el espacio-tiempo

11 de febrero de 2016

Después de casi un siglo, la búsqueda de una cantera cósmica se ha terminado. Con la ayuda de lasers y reflectores, los científicos han podido observar directamente las ondas gravitacionales, o arrugas en la propia estructura del espacio-tiempo.

Dos agujeros negros colisionando, uno de ellos 36 veces la masa del sol, y el otro 29, emitieron estas ondas cuando se aproximaban el uno al otro antes de chocar.

Desde aproximadamente 1'3 miles de millones de millas de distancia, estas ondas se esparcieron como ondulaciones por el estanque del cosmos y bañaron la Tierra el 14 de Septiembre, generando un cambio pequeño pero medible en la distancia entre cuatro puntos de reflectores dos en Louisiana y otros dos en el estado de Washington.

Durante el último segundo antes de la unión de los dos agujeros negros, se desprendió 50 veces más energía que todas las estrellas de las galaxias del universo juntas.

“Es la primera vez que el universo nos habla con ondas gravitacionales,” dijo David Reitze de Caltech, durante una rueda de prensa el 11 de Febrero, anunciando el descubrimiento.

Para los científicos que están monitorizando el experimento basado en espejos en el ”Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory “(LIGO), la señal recibida en la Tierra lleva el característico “chirrido” que acompaña la a la muerte y unificación de los dos agujeros negros.
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“Podemos oír las ondas gravitacionales, así que podemos oír el universo,” dijo Gabriela Gonzalez, de la Universidad Estatal de Louisiana. “No solo vamos a ver el universo, si no que lo vamos a oír.”

Es un descubrimiento que muchos dicen que es como ganar el Premio Nobel, y un anuncio que se ha insinuado durante varias semanas, si no meses, como rumores tentadores sobre hallazgo del equipo LIGO que circularon en las redes sociales.

Sentir las Vibraciones

El primero en predecirlo fue Einstein en 1916, las ondas gravitatorias eran una de las partes paradójicamente más centradas de su teoría general de la relatividad. Se producen por eventos extremos, como la colisión de agujeros negros, la fusión de estrellas de neutrones, o la explosión de estrellas- estas son energéticas y lo suficientemente violentas como para deformar la estructura rígida del espacio-tiempo, haciendo que se expanda y se contraiga.

Pero como te puedes imaginar, estos cambios normalmente no se pueden predecir. Si se pudiese veríamos relojes corriendo inconsistentemente y paisajes estrechándose y comprimiéndose todo el tiempo. Sin embargo, "las ondas gravitacionales en este momento vienen hacia nosotros", dice Alan Weinstein, que lidera el equipo LIGO de Caltech. “Apostaría mi brazo izquierdo a que es cierto, y soy zurdo.”

Esto significa que si este exceso de ondas poderosas se extienden hasta la Tierra, sus efectos son excesivamente difíciles de medir. “El estiramiento y compresión del espacio es increíblemente pequeño,” dice Weinstein, señalando que una onda gravitatoria que pasa podría cambiar la distancia entre dos personas sentadas a un metro de distancia por aproximadamente una millonésima parte del diámetro de un protón, una de las partículas que forman el núcleo de un átomo.

Pero al poner dos espejos separados cuatro kilómetros, como ha hecho LIGO, el efecto de la onda gravitacional es del orden de una diezmilésima parte del diámetro de un protón. “Esto, lo podemos hacer,” dice Weinstein.

LIGO utiliza dos detectores en forma de L idénticos situados en lugares separados del continente, uno en Livingston, Lousiana, y el otro en Hanford, Washington. Una señal de ondas gravitacionales tomada como real debe aparecer en los dos detectores que están formados por dos conjuntos de espejos situados uno perpendicularmente al otro. Al pasar una onda gravitacional, estirará el espacio-tiempo en una dirección y lo comprimirá en otra, generando así un pequeño cambio en la longitud de los brazos de los detectores que están medidos con un láser.

El aparato es el dispositivo de medida más sensible del planeta, además de las ondas gravitaciona-les puede detectar las vibraciones de los camiones que pasan, los terremotos y los rayos que caen a seis estados de distancia, las señales de los satélites de posicionamiento global y los pulsos electromagnéticos de la parte superior de la atmósfera. Todo ese ruido se tiene que filtrar para recoger la minúscula  señal de las ondas gravitacionales.

Tras décadas de estudio y dramas políticos, los detectores de LIGO intentaron escuchar por primera vez ondas gravitacionales en 2002; después de ocho años de silencio, los detectores se desactivaron y se les puso aislamiento para evitar el ruido que generaba interferencias en 2010. 

Así que cuando las observaciones del Advanced LIGO comenzaron de nuevo el 18 de septiembre, los científicos se mostraron optimistas porque habían recibido algo.

En un extraño giro del destino ya habían detectado algo. Los detectores se habían puesto a trabajar antes de que comenzasen los estudios oficiales, y ya se habían metido en el bolso una señal muy tentadora. Primero llegó al detector de Louisiana y siete milisegundos después lo hizo al de Wa-shington.

“Cuando apareció este evento confiamos mucho en que fuese bueno. ¿Nos sorprendió que fuese demasiado bueno para ser cierto? Totalmente. Mi reacción fue “¡Guau!”, “No me lo podía creer,” dice Reitze.

Cuando dos agujeros negros colisionan

Utilizando un puñado de las ecuaciones de Einstein, los científicos han seguido el rastro de las ondas que se observaban para determinar que tipo de evento astrofísico era el culpable. En este caso, esas ecuaciones sugirieron que se trataba de la colisión de dos agujeros negros que una vez que chocasen, formarían uno nuevo con un tamaño algo mayor de 60 masas solares.

Explicación de las ondas gravitacionales: El científico Daniel Holz se cuela entre bastidores en el descubrimiento histórico de las ondas gravitacionales del LIGO.

Formados por la muerte y colapso de estrellas masivas, los agujeros negros son algunos de los objetos más extraños del universo conocido si es que se les puede llamar “objetos.” Es fácil pensar en un agujero negro como una masa de materia tan densa que su gravedad atrapa todo lo que se acerca demasiado, incluso la luz. Pero son menos “cosas” u “objetos” que otras regiones del espacio-tiempo sin fondo intensamente curvadas. Por tanto,  cuando chocan dos agujeros negros, el evento es cualquier cosa excepto ordinario.

“Es algo así como un desastre de espacio curvo que se enrolla, cambiando rápidamente,” describe Weinstein.

En la colisión que detectó LIGO, los dos agujeros negros llevaban millones o miles de millones de años girando lentamente en espiral uno alrededor del otro. A medida que los cuerpos se iban acercando entre sí, sus órbitas se fueron acelerando hasta que finalmente giraban uno alrededor del otro a una velocidad equivalente a la mitad de la de la luz, emitiendo cantidades de energía enormes en forma de ondas gravitatorias de deformación espacial.

A continuación, los agujeros negros se fusionaron. En el último segundo antes de que ocurriese,  los agujeros negros que giraban emitieron más energía en forma de radiación que todo el universo. Una vez que chocan, el resultado es una amalgama que se tambalea justo antes de estabilizarse, emitiendo lo que se conoce como un “ringdown”, o una especie de último grito antes de quedarse tranquilo.

Se trata de una historia impresionante contada por pequeños e infinitesimales cambios de distancia entre los espejos en la Tierra.

“Los datos parecen absolutamente increíbles,” comenta el astrónomo Scott Ransom, del “National Radio Astronomy Observatory,” que vio el manuscrito del equipo publicado en “Physical Review Letters.” “Al ver las ondas de las salidas del detector en bruto, sin ningún tipo de manipulación esta-dística, es más de lo que casi nadie había esperado.”

Los científicos del LIGO confían en que la señal sea real; de hecho calcularon que una falsa alarma tan convincente no se podría dar más que cada 200000 años. Teniendo es cuenta esto, no es posi-ble para todas las detecciones de ondas gravitatorias que ha recogido hasta ahora.  LIGO encontró el 12 de Octubre otra posible señal candidata producida por la fusión de dos agujeros negros, pero los científicos aún no están seguros de si se trata o no de una falsa alarma.

Nueva Era, Además de Otras Búsquedas

El descubrimiento marca la primera vez que los científicos han anotado directamente las ondas gravitacionales, pero no es la primera prueba de su existencia. En 1974, Joe Taylor y Russell Hulse detectaron lo que entonces parecía una especie nueva y exótica de objeto: un pulsar binario, o lo que es lo mismo, dos estrellas de neutrones que giran una alrededor de otra. El equipo determinó que las órbitas de los púlsares se reducían, y se dieron cuenta de que la única manera de que esto ocurriese era que las ondas gravitacionales sacasen la energía del sistema.

El descubrimiento, que probó sin duda la existencia de las ondas gravitacionales, hizo que Taylor y Hulse ganasen en 1993 el Premio Nobel de Física.

La diferencia aquí está en que el equipo de LIGO ha tenido éxito en la observación directa de las ondas gravitacionales de la Tierra- un descubrimiento que abrirá una nueva era en la astronomía y ayudará a los astrónomos a asomarse más profundamente al cosmos.

Al ver el universo en las ondas gravitacionales, esto podría ser parecido a la primera vez que los científicos dirigieron sus ojos hacia el cielo con un par de infrarrojos, rayos X o microondas. Durante milenios, en astronomía se había trabajado con longitudes de onda del visible, los seres humanos podían ver las estrellas y los planetas, y ver como se movían a través del cielo. Pero el  universo infrarrojo está lleno de grupos de polvo calientes en los que se está formando las estrellas, el uni-verso de rayos X está lleno de cadáveres estelares, y el universo de las microondas está lleno de restos térmicos del Big Bang. Si observamos el cielo utilizando las ondas gravitacionales revolucio-naremos la astronomía de la misma forma.

“Es una nueva manera de estudiar los objetos lejanos y los fenómenos del universo a los que la radiación electromagnética no nos ha permitido llegar demasiado bien,” dice Taylor, un astrofísico de la universidad de Princeton, utilizando el ejemplo de los agujeros negros. “Sospechábamos que esto probablemente existía, y hemos visto la existencia de los agujeros negros en los centros de las galaxias, ahora vamos a tener la forma directa de medirlos, de una manera muy diferente a esa.”

Escucha la onda gravitacional: Mientras LIGO observa cómo los agujeros negros se van acercando, éstos emiten ondas gravitacionales que incrementan su frecuencia y amplitud produciendo un “chirrido” característico cuando éstas se traducen a ruido. Los primeros chirridos del video están en la frecuencia exacta de las ondas gravitacionales, mientras que los siguientes están a frecuencias más altas que encajan mejor con el rango del oído humano.

No solo esto, en la próxima década otros experimentos serán capaces de detectar ondas gravitacionales. Uno de ellos, llamado NANOGrav, utiliza pulsars de milisegundos que mantienen el tiempo excepcionalmente preciso como detectores naturales de ondas gravitacionales. Cuando las ondas pasan a través de los pulsars, interrumpen brevemente el ritmo de rotación de la estrella muerta, dejando una marca reveladora que se puede rastrear a través del cielo.

A diferencia del LIGO, que es sensible a las ondas gravitacionales generadas por cataclismos de masas estelares, estas matrices de temporización de púlsares detectarán las ondulaciones mucho mas largas producidas por los agujeros negros supermasivos que giran en espiral, los desagües cósmicos que se agitan a lo lejos en los centros de las galaxias.

“Somos sensibles a las decenas de miles de años antes de que esos agujeros negros supermasivos se fusionasen, ya que es cuando se estaban emitiendo las ondas gravitacionales de nuestra banda de frecuencia,” dice Ransom. “Aquí estamos hablando de miles de millones, al menos cientos de millones de masas solares.”

Otro experimento propuesto sería enviar una onda gravitacional de observación, llamada ELISA, al espacio donde sería sensible a las ondas producidas por todo tipo de sistemas astrofísicos. Otro sería los equipos de búsqueda de ondas gravitacionales primordiales, que se producen durante pe-riodos de expansión cósmica rápida, en los inicios del universo. En 2014, el equipo BICEP2, anun-ció que había descubierto estas ondas gravitacionales pero la señal resultó ser una huella dactilar de polvo en lugar de un dato.

Pasará un tiempo antes de que las ondas gravitacionales se conviertan en la corriente principal en astronomía, pero cuando lo hagan, estos eventos cósmicos extremos hasta ahora invisibles que han vivido en el campo de las matemáticas, van a saltar al reino de lo observable, llenando el universo de un nuevo conjunto de misterios por resolver.