Hablemos sobre Ondas Gravitacionales

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Un saludo a todos, la semana pasada me enteré gracias, @eniolw, nuestro mentor de @stem-espanol, del anuncio de la detección de una nueva fuente de ondas gravitacionales. Ya en varias ocasiones he hecho referencia a este fenómeno, que fue predicho por la relatividad general de Einstein y de como los experimentos LIGO y Virgo, están haciendo nuevos e interesantes descubrimientos en este campo, esta semana, aprovechando la noticia de esta nueva detección, les hablaré un poco sobre este interesante campo de estudio de la astrofísica, que tanto está dando que hablar en este momento.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Las Ondas Gravitacionales son fluctuaciones del espacio-tiempo que son provocadas por cualquier objeto masivo que esté acelerado, si suponemos el espacio-tiempo como la superficie de un estanque al cual arrojamos una roca, el impacto de ésta produce olas, ondulaciones en su superficie que se expanden desde el sitio de impacto hasta la orilla, de igual forma un objeto que tenga un movimiento acelerado perturba el espacio-tiempo produciendo fluctuaciones, ondas gravitacionales, que se expanden, a la velocidad de la luz, desde el objeto.

Este fenómeno fue predicho por Einstein en 1916 en el marco de su teoría de la relatividad general y es una parte esencial de su formulación teórica, pues como nada puede desplazarse más rápido que la luz, los cambios en el campo gravitacional provocado por un objeto acelerado, no pueden extenderse inmediatamente, como supone la gravitación newtoniana, deben propagarse desde el objeto a la velocidad de la luz. Estas deformaciones del espacio tiempo serían de magnitudes tan diminutas, que el propio Einstein supuso que nunca existiría la tecnología como para detectarlas.

Las ondas gravitacionales no son ondas en el sentido estricto de la palabra, son fluctuaciones, alteraciones en el espacio tiempo, que tienen el efecto de comprimir y estirar las dimensiones espaciales y el tiempo; generando la compresión y dilatación de los objetos a su paso, se requiere de dispositivos con sensibilidades que permiten percibir perturbaciones menores al tamaño de un protón, para detectarlas.

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Históricamente la primera detección indirecta del efecto de estas ondas fue realizada por Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor, Jr,. quienes en 1974, pudieron medir el decaimiento en el periodo orbital de un pulsar binario, producto de la emisión de estas ondas, coincidiendo éste, con lo predicho por las ecuaciones de la relatividad. Este descubrimiento los hizo merecedores del Premio Nobel de Física en 1993.

En 2014 se anunció la detección de Polarización Modo B¹ en la radiación del fondo cósmico de microondas, lo que resultaría coincidente con lo predicho en el modelo inflacionario, y que correspondería con el efecto de las ondas gravitacionales durante los primeros momentos del big-bang al inicio de la inflación, este resultado fue obtenido por el experimento BICEP2², estos resultados vendría a confirmar la existencia de las ondas gravitacionales a la vez que también corroborar el modelo cosmológico vigente.

Sin embargo, los resultados de BISEP2, fueron fuertemente criticados, pues sólo se podía analizar un sector particular del cielo, el cual está “contaminado” por el polvo y las emisiones de radio de nuestra galaxia, estudios posteriores, que combinaron los resultados de BISEP2 a los obtenidos por el telescopios espacial PLANK y el arreglo de radio telescopios KECK, resulto en una relación menor entre las polarizaciones modo B y Modo E³, en consecuencia aun cuando no se podía descartar la presencia de polarización modo B, tampoco se podía descartar que este resultado fuese producto del polvo presente en nuestra galaxia. Por este motivo los resultados de BISEP2 fueron desestimados.

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Finalmente, después de casi quince años de la puesta en marcha de LIGO, tras pocos meses de su actualización a Advance LIGO y de cinco meses de circular el rumor de la detección de una emisión de estas ondas; el 11 de febrero de 2016, se anunció definitivamente la noticia de la detección el 14 de septiembre de 2015 de una fuente de ondas gravitacionales confirmada, proveniente de la fusión de dos agujeros negros de masa estelar a más de 1300 millones de años luz de distancia de nosotros.

Tras la primera detección confirmada de ondas gravitacionales, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física, Barry C. Barish, Reiner Weiss y Kip Thorne, de quien ya hablé en un post anterior, por su participación en la confirmación definitiva de la existencia de estas ondas, el primero como director del proyecto que llevo a cabo el experimento LIGO, y los dos últimos como los diseñadores del experimento mismo.

¿Qué fenómenos generan ondas gravitacionales?

Como regla general todo objeto que se desplace con un movimiento acelerado genera fluctuaciones en el espacio tiempo, alteraciones del campo gravitacional, sin embargo, al ser la gravedad una fuerza tan débil, sólo aquellos eventos que involucren objetos sumamente masivos, pueden generar una fluctuación del espacio tiempo de una magnitud tal, que pueda ser detectada y aun así se requieres dispositivos de detección capaces de percibir variaciones de distancias en el rango del tamaño de un protón.

En consecuencia, sólo eventos como las kilonovas, supernovas e hipernovas, las fusiones de agujeros negros o la colisión de uno de éstos con una estrella de neutrones, serían en principio los fenómenos que emitirían ondas gravitacionales detectables. Otro objeto que hipotéticamente podría emitir ondas detectables son las estrellas de neutrones en rotación cuyas superficies fuesen irregulares.

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Dentro del campo de los objetos hipotéticos que podrían emitir ondas gravitacionales están las colisiones o fusiones de agujeros de gusano y las desintegración de lazos cerrados de cuerdas cósmicas, estas últimas son objetos unidimensionales que se formaría tras una transición de fase del universo primigenio, serían el equivalente a las líneas o grietas que se forman en el agua al congelarse, estas cuerdas se moverían con el espacio tiempo, a causa de su expansión, si en este proceso, llegasen a cruzarse sobre si mismas, formando un lazo cerrado, este se separaría de la cuerda original y oscilaría emitiendo radiación gravitacional, ondas gravitacionales, hasta evaporarse.

Otra posible fuente de ondas gravitacionales sería, el colapso gravitacional que dio origen a la inflación cósmica en el big-bang, el cual fue el producto del desacoplamiento de la gravedad una vez trascurrido el primer tiempo Plank después del big-bang. Las ondas gravitacionales de este evento, se esperan puedan ser detectadas indirectamente a través de experimentos como el BISEP2, o directamente, por futuro observatorios espaciales de ondas gravitacionales como LISA.

¿Qué consecuencias tiene la detección de estas ondas?

Uno de los aspectos más destacados de la comprobación de la existencia de las ondas gravitacionales es que corrobora una vez más una de las predicciones centrales de la teoría de la relatividad, una que incluso el propio Einstein dudó que pudiese ser validada, lo que confirma esta teoría como un constructo teórico válido para describir los fenómenos cosmológicos.

Otra consecuencia importante y quizá menos conocida, es la confirmación de la existencia de los agujeros negros, tal como se han sido descritos por las ecuaciones de la relatividad general, singularidades espaciotemporales, rodeadas por un horizonte de sucesos. Aun cuando no se dudaba de su existencia, su estructura aún estaba por ser confirmada; los datos obtenidos desde la primera detección de estas ondas, hasta la fecha, han permitido avalar este modelo.

Los gravitones de existir carecerían de masa, tal como han sido teorizados. Los gravitones son partículas elementales hipotéticas, que serían las encargadas de la mediación de la fuerza de la gravedad; teóricamente, carecerían de masa al igual que los fotones, por lo que las ondas gravitacionales se propagarían a la misma velocidad de la luz; esto se pudo confirmar el año pasado (2017), cuando por primera vez se pudo tener confirmación casi simultánea en todo el espectro electromagnético de un evento generador de ondas gravitacionales, el GW170817, del cual ya he hablado en publicaciones previas (1 2). De propagarse las ondas gravitacionales a menor velocidad que la luz, su detección sería posterior a la de las emisiones en el espectro electromagnético.

La cualidad que tienen de no interactuar prácticamente con nada, las hace portadoras de información casi inalterada sobre los eventos que las generan, permitiendo así la obtención de datos sobre eventos que no podrían ser fácilmente detectados por medios ópticos, como las fusiones de agujeros negros o su formación.

La radiación del fondo cósmico de microondas, es la impresión que dejó el desacoplamiento de la radiación de la materia, cuando la temperatura del universo primitivo bajo lo suficiente como para permitirle a los fotones desplazarse libremente, esto ocurrió cuando el universo tenía unos 400.000 años. Esta es la fuente de información más antigua que se tiene sobre el universo primitivo, sin embargo, el evento que dio inicio a la inflación, la separación de la fuerza de la gravedad de las otras tres fuerzas fundamentales, generaría un eco de ondas gravitacionales que podría percibirse aun hoy, si se lograse su detección, brindaría información del propio inicio del universo, a un tiempo de Planck, después del big-bang.

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En el campo de la teoría de cuerdas, la detección de las ondas provenientes de la desintegración de cuerdas cósmicas cerradas, podría dar evidencias que ayuden a confirmar la Teoría de las Supercuerdas⁴.

Su descubrimiento también abre la puerta al desarrollo de nuevas técnicas para la determinación de magnitudes de nuestro universo aun no definidas con certeza, como su edad y tamaño, la cantidad de energía y materia oscura que lo conforma, su geometría y dar indicios más certeros del modelo de evolución que seguiría, permitiendo definir cuál sería su destino.

¿Cómo se detectan las ondas gravitacionales?

El procedimiento usado para la detección de ondas gravitacionales es la Interferometría Laser, que fundamentalmente consiste en un láser que es disparado a través de dos túneles al vacío, dispuestos perpendicularmente formando una L, en cuyos inicio y final se encuentran espejos en los que el láser se refleja sobre si mismo, interfiriéndose; instrumentos ubicados al inicio y final del recorrido del láser, deberían ser capaces de captar cualquier desviación en su recorrido, producto de las distorsiones dimensionales causadas por el paso de una onda gravitacional.

Existen en la actualidad en operación tres experimentos basados en este tipo de instrumentos estrictamente orientados a la detección de ondas gravitacionales:

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• LIGO: acrónimo de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser). Con dos interferómetros ubicados a 3000 kilómetros de distancia en territorio de los Estados Unidos de Norte América, es el principal y más conocido de estos experimentos y en el que se realizó la primera detección de estas ondas. Sus interferómetros ubicados en Livingstone, Luisiana y Richland, Washington, tienen túneles de 4 y 2 kilómetros de longitud, respectivamente.

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LIGO inició sus operaciones de ingeniería en 2001 y los instrumentos iniciaron sus operaciones en 2005, cesando en 2010, sin realizar ninguna detección, para reiniciar en 2015 después de una actualización en sus espejos, sistema de amortiguación y aislamiento sísmico, esta actualización es la denominada Advanced LIGO. Posterior a su regreso a operaciones, se confirmó la primera detección de ondas gravitacionales.

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• VIRGO: cuyo nombre proviene del Super Cúmulo de Virgo, es un proyecto Italo-frances ubicado en Pisa, Italia. Los brazos de su interferómetro tienen 3 kilómetros de largo, dándole una sensibilidad intermedia entre los dos del proyecto LIGO, la construcción de Virgo concluyo en 2003 e inició su periodo de toma datos en 2007 y 2011, posterior a esto fue actualizado a Advanced Virgo y reinició sus operaciones en 2016, actualmente existe un tratado de cooperación y de publicación de resultados conjunta entre LIGO y VIRGO.

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• GEO600: situado en Hanóver, Alemania, consta de un túnel de 600 metros, pero con un sistema de doble recorrido del laser lo que le da una longitud efectiva de 1200 metros, opera desde 2002 y desde 2006 alcanzo la sensibilidad para la que fue diseñado, sin embargo, a la fecha no ha realizado ninguna detección.

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Un aspecto importante a tomar en cuenta es que la detección de ondas gravitacionales por interferometría láser, no permite la ubicación precisa de la fuente de las ondas, pues los interferómetros escanean una porción grande del cielo y no pueden ser direccionados a un sector en particular, en consecuencia, con excepción del evento GW170817, que gracias a la intervención de varios medios de detección diferente pudo localizarse con precisión su origen, no se tiene precisión sobre la ubicación de la fuente de estas emisiones de ondas.

¿Cuántas fuentes de ondas gravitacionales se han detectado desde su descubrimiento?

Desde que se realizo la primera detección de estas ondas, el 14 de septiembre de 2015, se han realizado otras 10 detecciones de estos fenómenos, que se resumen en catalogo GWTC-1, publicado por LIGO y VIRGO el 3 de diciembre de este año (2018), estos eventos son catalogados usando una codificación que inicia por las siglas GW de Gravitational Wave (onda gravitacional) y se acompaña por seis dígitos que corresponden al año, mes y día de la detección, así por ejemplo la primera onda detectada sería la GW150914, los eventos detectados corresponden a diez fusiones de hoyos negros y una colisión de estrellas de neutrones (Kilonova):

Catalogo	Hora UTC de la detección	Fecha del anuncio	Fuente identificada	Ubicación
GW150914	09:50:45.4	11/02/2016	Fusión de agujeros negros	--
GW151012	09:54:43.4	15/06/2016	Fusión de agujeros negros	--
GW151226	03:38:53.6	15/06/2016	Fusión de agujeros negros	--
GW170104	10:11:58.6	01/06/2017	Fusión de agujeros negros	--
GW170608	02:01:16.5	16/11/2017	Fusión de agujeros negros	--
GW170729	18:56:29.3	30/11/2018	Fusión de agujeros negros	--
GW170809	08:28:21.8	30/11/2018	Fusión de agujeros negros	--
GW170814	10:30:43.5	27/09/2017	Fusión de agujeros negros	--
GW170817	12:41:04.4	16/10/2017	Colición de estrellas de neutrones	NGC 4993
GW170818	02:25:09.1	30/11/2018	Fusión de agujeros negros	--
GW170823	13:13:58.5	30/11/2018	Fusión de agujeros negros	--

El último anuncio conjunto de los proyectos LIGO y VIRGO fue realizado el 30 de noviembre de este año, en el cual se informó de cuatro nuevas detecciones las GW170729, GW170809, GW170818 y GW170823, entre ellas destaca la GW170729, por ser la más masiva jamás detectada, correspondiendo a la fusión de dos agujeros negros de 50,6 y 34,3 masas solares, dando como resultado un nuevo agujero negro de 80,3 masas solares, la masa faltantes correspondería a la energía emitida en forma de ondas gravitacionales el equivalente a 4,6 masas solares, este evento se dio a una distancia de unos 5000 millones de años luz, siendo también el más lejano detectado.

Una peculiaridad del evento GW170729, es que la masa del agujero negro resultante de la fusión se aproxima mucho al límite de masa de los agujeros negros estelares, lo que abre la posibilidad a la confirmación de la existencia de agujeros negros de masa intermedia, con rangos que van de las 100 al millón de masas solares, los cuales se han teorizados, pero no pueden ser explicados por el proceso normal de formación de los agujeros negros.

¿Qué nuevos proyectos hay en esta área de investigación?

Está proyectada la construcción de varios observatorios de ondas gravitacionales para los próximos años, desde instalaciones en tierra hasta espaciales, los más destacados son los siguientes:

CLIO: acrónimo de Cryogenic Laser Interferometer Observatory (Observatorios de Interferometría Láser Criogénica), situado en Japón es un prototipo experimental que tiene como propósito probar la tecnología criogénica de espejos, en la cual estos son refrigerados a 20 °K para reducir el ruido que pueda producir el calentamiento de los espejos, a causa del láser, esta tecnología tiene como propósito ser aplicada en el futuro observatorio KAGRA.

KAGRA: o Detector de Ondas Gravitaciones de Kamioka actualmente en construcción en la isla de Kamioka, contará con túneles subterráneos de 3 kilómetros de largo y será usada la tecnología criogénica de refrigeración de espejos, que está en pruebas en el CLIO.

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INDIGO: acrónimo de Indian Initiative in Gravitational-wave Observations (Iniciativa India para la Observación de Ondas Gravitacionales) es una iniciativa conjunta del gobierno indio en colaboración con LIGO. INDIGO alojará al detector LIGO-India, estará ubicado en Aundha Nagnath, Distrito de Hingoli, Maharashtra.

Telescopio Einstein: este proyecto de algunas instituciones de la Unión Europea planea la construcción de un interferómetro subterráneo con una estructura triangular con lados de 10 kilómetros de largo.

LISA: acrónimo de Laser Interferometer Space Antenna, es un proyecto conjunto de la NASA y la ESA para un observatorio espacia de ondas gravitacionales, estaría conformado por tres satélites ubicados a una distancia de 2,5 millones de kilómetros uno del otro formando un triangulo equilátero, estaría ubicado en orbita solar en uno de los puntos Lagrange de la órbita terrestre, se planea que esté en funcionamiento para la década del 2030.

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Big Bang Observer: es un observatorio espacial planificado como sucesor de LISA, diferencia de LISA, sus brazos serían más pequeños, de 50.000 kilómetros, pero estarían formados por dos triángulos equiláteros sobrepuestos formando un hexagrama.

DECIGO: acrónimo de Deci-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory es un proyecto de la Agencia Espacial Japonesa de un interferómetro con una estructura similar a la de LISA, pero con brazos de 1000 Km, se espera que sea lanzado en 2027.

TianQin: es la propuesta china para un interferómetro consistente en tres satélites en órbita terrestre, con brazos de 100.000 kilómetro. Se planea que esté en funcionamiento entre el 2025 y el 2030.

Como se puede ver el estudio de las ondas gravitacionales, es uno de los principales intereses de la cosmología y astrofísica moderna, con una larga lista de proyectos que pueden o no llegar a término, pero que demuestran la importancia de este nuevo campo de investigación.

Con esto concluye esta publicación, espero que haya sido de su agrado, quedo atento a sus comentarios, gracias por su atención, hasta la próxima publicación.

Texto original de @amart29, Barcelona diciembre de 2018

Notas

1. Polarización Modo B: se dice que, un conjunto de ondas provenientes de una fuente, están polarizadas cuando oscilan todas en una misma dirección, Los Modos B, son un patrón de oscilación que puede presentarse en la radiación del fondo cósmico de micro ondas, como efecto de las ondas gravitacionales generadas durante el desacoplamiento de la gravedad, de las otras fuerzas fundamentales, a un tiempo de Planck después del big-biang.
2. BICEP2: es un experimento ubicado en una instalación en el polo sur, que tiene como objetivo detectar la presencia de Modos B, en la polarización de la radiación del fondo cósmico de microondas, para ello usa un arreglo de radio telescopios que escanea el cielo a 100 y 150 GHz.
3. Polarización Modo E: es el tipo de polarización de la radiación del fondo cósmico de microondas que puede ser generada por la interacción de la materia cuando el universo tenia 400.000 años.
4. Teoría de las Supercuerdas: la teoría de super cuerdas es un constructo que explica todas las partículas y fuerzas fundamentales con la interacción de un conjunto de filamentos o cuerdas que vibran de diferentes formas y se desplazan en un espacio de más de tres dimensiones espaciales, esta teoría prevé que algunas de estas cuerdas pudieron extenderse, producto del proceso inflacionario del universo primitivo y dar lugar a cuerdas cósmicas.

Referencias

• AstroMIa, Ondas gravitatorias, AstroMia.
• Catanzaro. M., Ondas gravitacionales: ¿Qué son y para qué sirven?, elPeriódico.
• Cuentos Cuánticos, El caso de BICEP2. Así funciona la ciencia, Cuentos Cuánticos.
• Forssmann, A., El Premio Nobel de Física de 2017 a la detección de las ondas gravitacionales, National Geographic
• LIGO.org, ¿Existen las cuerdas cósmicas?, LIGO.org
• LIGO.org, GWTC-1: A New Catalog of Gravitational-Wave Detections, LIGO.org
• Muy Interesante, Calculan la edad del universo con ondas gravitacionales, Muy Interesante.
• Nieves, J., ¡Sorpresa! Las ondas gravitacionales pueden usarse para transmitir datos, ABC.es
• Sintes, A.,¿Cómo se sabe de dónde proceden las ondas gravitacionales?, El Pais.
• Sintes, A. y Soruza, B., La observación de ondas gravitacionales con LIGO, Investigación y Ciencia.
• The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration, GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs, The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration.
• Villatoro, F., LIGO-Virgo observan cuatro nuevas fusiones de agujeros negros, La Ciencia de la Mula Francis
• Wikipedia, Astronomía de onda gravitacional; Wikipedia
• Wikipedia, Big Bang Observer, Wikipedia
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• Wikipedia, Deci-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory, Wikipedia
• Wikipedia, Detección de ondas gravitacionales; Wikipedia
• Wikipedia, Einstein Telescope, Wikipedia
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• Wikipedia, KAGRA, Wikipedia
• Wikipedia, Laser Interferometer Space Antenna, Wikipedia
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• Wikipedia, Onda gravitatoria; Wikipedia
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• Wikipedia, Virgo (interferómetro), Wikipedia