Ondas gravitatorias o gravitacionales.
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| Ilustración de ondas gravitacionales producidas por dos agujeros negros orbitándose mutuamente. Imagen: HENZE/NASA |
Las ondas gravitacionales son "ondulaciones" en la estructura del espacio-tiempo causada por algunos de los procesos más violentos y enérgicos del Universo. Albert Einstein predijo la existencia de ondas gravitatorias en 1916 en su teoría general de la relatividad. La matemática de Einstein demostró que los objetos aceleradores masivos (como las estrellas de neutrones o los agujeros negros que orbitan entre sí) romperían el espacio-tiempo de tal manera que las "ondas" del espacio distorsionado irradiarían de la fuente (como el movimiento de las ondas lejos de una piedra arrojado a un estanque). Además, estas ondulaciones viajan a la velocidad de la luz a través del Universo, llevando consigo información sobre sus orígenes cataclísmicos, así como pistas invaluables sobre la naturaleza misma de la gravedad.
Las ondas gravitatorias más fuertes son producidas por eventos catastróficos como colisión de agujeros negros, el colapso de núcleos estelares (supernovas), estrellas de neutrones acaban colisionando entre ellas o estrellas enanas blancas, la rotación ligeramente vacilante de estrellas de neutrones que no son esferas perfectas y los restos de la gravedad Radiación creada por el nacimiento del Universo mismo.
Aunque se predijo en 1.916 que las ondas gravitacionales existían, hasta 1.974 no se pudo probar su existencia, 20 años después de la muerte de Einstein. En ese año, dos astrónomos que trabajaban en el Observatorio de la Radio de Arecibo en Puerto Rico descubrieron un pulsar binario, dos estrellas extremadamente densas y pesadas en órbita una alrededor de la otra. Éste era exactamente el tipo de sistema que, según la relatividad general, debería irradiar ondas gravitatorias. Sabiendo que este descubrimiento podría usarse para probar la audaz predicción de Einstein, los astrónomos comenzaron a medir cómo el período de las órbitas de las estrellas cambió con el tiempo. Después de ocho años de observaciones, se determinó que las estrellas se estaban acercando unas a otras precisamente a la tasa prevista por la relatividad general. Este sistema ha sido monitoreado por más de 40 años y los cambios observados en la órbita coinciden tan bien con la relatividad general, no hay duda de que está emitiendo ondas gravitatorias.
Desde entonces, muchos astrónomos han estudiado el momento de las emisiones de radio púlsar y han encontrado efectos similares, confirmando aún más la existencia de ondas gravitatorias. Pero estas confirmaciones siempre han venido indirectamente o matemáticamente y no a través de contacto físico real.
Ese fue el caso hasta el 14 de septiembre de 2015 cuando LIGO, Observatorio de Interferómetro Láser gravitacional-Wave (LIGO), por primera vez físicamente detectó las distorsiones en el espacio-tiempo causado por el paso de las ondas gravitatorias generadas por dos agujeros negros colisionando a casi 1.300 millones de años luz de distancia. LIGO y su descubrimiento pasarán a la historia como uno de los mayores logros científicos humanos.
Por suerte para nosotros aquí en la Tierra, mientras que los orígenes de las ondas gravitacionales pueden ser extremadamente violentos, cuando las olas llegan a la Tierra son millones de veces más pequeñas y menos perturbadoras. De hecho, cuando las ondas gravitatorias de la primera detección llegaron a LIGO, la cantidad de oscilación espacio-temporal que generaron fue miles de veces menor que el núcleo de un átomo! Esas mediciones inconcebiblemente pequeñas son para las que LIGO fue diseñado.
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¿Por qué y para qué detectar ondas gravitatorias?
Las ondas gravitatorias que son detectables por LIGO, Observatorio de Interferómetro Láser gravitacional-Wave (LIGO), son causadas por algunos de los eventos más enérgicos en el Universo: colisiones de agujeros negros, explosiones de estrellas e incluso el nacimiento del Universo. Detectar y analizar la información transportada por las ondas gravitacionales nos permitirá observar el Universo de una manera nunca antes posible. Se abrirá una nueva ventana de estudio sobre el Universo, nos dará una comprensión más profunda de estos eventos cataclísmicos y dar paso a la investigación de vanguardia en física, astronomía y astrofísica.
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| Ilustración de ondas gravitacionales producido por dos objetos super másivos. Créditos: NASA/HENZE. |
Históricamente, los científicos se han basado principalmente en las observaciones con radiación electromagnética (luz visible, rayos X, ondas de radio, microondas, etc.) para aprender y comprender objetos y fenómenos en el Universo. (En los últimos años, incluso las partículas subatómicas llamadas neutrinos han comenzado a usarse para estudiar aspectos de los cielos). Cada una de estas fuentes de información proporciona a los científicos una visión diferente y complementaria del Universo, una nueva ventana ha sido descubierta, introducida y utilizada.
Las ondas gravitacionales no son radiación electromagnética, se trata de un fenómeno completamente diferente, llevan información sobre objetos cósmicos y eventos que no son llevados por la radiación electromagnética. Los agujeros negros que colisionan, por ejemplo, emiten poca o ninguna radiación electromagnética, pero las ondas gravitatorias que emiten harán que "brillen intensamente" como balizas en un mar cósmico completamente oscuro. Más importante aún, ya que las ondas gravitacionales interactúan muy débilmente con la materia (a diferencia de la radiación electromagnética), viajan a través del Universo virtualmente sin obstáculos, dándonos una visión clara del universo de la onda gravitacional. Llevan información sobre sus orígenes que están libres de los tipos de distorsión o alteración que sufre la radiación electromagnética a medida que atraviesa el espacio intergaláctico. Con esta forma completamente nueva de examinar objetos y fenómenos astrofísicos, las ondas gravitatorias abrirán verdaderamente una nueva ventana en el Universo proporcionando a los astrónomos y a otros científicos que puedan vislumbrar maravillas inéditas y no visibles y añadir mucho a nuestra comprensión de la naturaleza de Espacio y tiempo en sí.
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Fuentes y tipos de ondas gravitacionales
Cualquier objeto con masa que acelere (que en la ciencia significa cambio de posición a una velocidad variable, e incluye girar y objetos en órbita) produce ondas gravitacionales, incluyendo humanos, coches y aviones, etc. Pero las ondas gravitatorias hechas por nosotros aquí en la Tierra son mucho más pequeñas para ser detectadas. De hecho, ni siquiera es remotamente posible construir una máquina que pueda hacer girar un objeto lo suficientemente rápido como para producir una onda gravitacional detectable, incluso los materiales más fuertes del mundo volarían separados a las velocidades de rotación que tal máquina requeriría.
Dado que no podemos generar ondas gravitacionales detectables en la Tierra, la única manera de estudiarlas es mirar a los lugares del Universo donde son generados por la naturaleza. El Universo está lleno de objetos increíblemente masivos que experimentan aceleraciones rápidas (cosas como agujeros negros, estrellas de neutrones y estrellas al final de sus vidas). Para comprender los tipos de ondas gravitacionales que estos objetos pueden producir, los científicos de LIGO han definido cuatro categorías de ondas gravitacionales, cada una con una "huella digital" o signo vibratorio característico que los interferómetros pueden detectar y que los investigadores buscan en los datos de LIGO.
Estas categorías son:
- Ondas Gravitacionales Continuas. Las ondas gravitatorias continuas son producidas por un único objeto giratorio masivo, como una estrella extremadamente densa llamada estrella de neutrones. Cualquier protuberancia o imperfección en la forma esférica de esta estrella generará ondas gravitacionales mientras la estrella gira. Si la velocidad de giro de la estrella permanece constante, también lo hacen las propiedades de las ondas gravitatorias que emite. Es decir, la onda gravitacional es emitida continuamente en la misma frecuencia y amplitud (como un cantante sosteniendo una sola nota), por lo tanto se trata de una "Onda Gravitacional Continua". Los investigadores han creado simulaciones de lo que piensan de como una onda gravitatoria continua puede sonar como si la señal detectada por LIGO se convirtiera en un sonido (basado en la frecuencia del parpadeo del láser de LIGO).
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| Ilustración de una estrella de neutrones. Créditos: Casey Reed/Penn State University |
- Ondas Gravitacionales Binarias Inspirales Compactas. Son producidas por pares orbitantes de objetos masivos y densos (por lo tanto "compactos"), por ejemplo: estrellas enanas blancas, agujeros negros y estrellas de neutrones. Cada par binario crea una serie característica de ondas gravitacionales, pero el mecanismo de generación de ondas es el mismo en todos los tres, se le denomina "inspiral". Existen tres tipos de sistemas "binarios compactos" en esta categoría de generadores de ondas gravitacionales:
- Sistema binario de estrellas de neutrones (estrella de neutrones-estrella de neutrones) o BNS
- Sistema binario de agujeros negros (agujero negro-agujero negro) o BBH
- Sistema binario de Estrella de neutrones-Agujero Negro o NSBH.
- Ondas Gravitacionales Estocásticas. Los astrónomos predicen que hay tan pocas fuentes significativas de ondas gravitatorias binarias inspirales en el Universo que el LIGO no se debe de preocupar por la posibilidad que más de una pase al mismo tiempo por la Tierra, ésto puede producir señales confusas en los detectores. Sin embargo, sabemos que muchas pequeñas ondas gravitacionales están pasando por todas partes del Universo todo el tiempo y que se mezclan al azar. Estas pequeñas ondas de todas las direcciones forman lo que llamamos una "señal estocástica", llamada así porque la palabra "estocástico" significa que tiene un patrón aleatorio que puede ser analizado estadísticamente pero que no se puede predecir con precisión. Estas serán las ondas gravitacionales más pequeñas (es decir, más silenciosas) y más difíciles de detectar, pero es posible que al menos parte de esta señal estocástica pueda originarse a partir del Big Bang. Detectar las ondas gravitacionales reliquias del Big Bang nos permitirá ver más atrás que nunca en la historia del Universo.
Ilustración de dos estrellas de neutrones colisionando.
Créditos: NASA/Swift/Dana Berry
- Ondas Gravitacionales en Ráfaga. La búsqueda de "ondas gravitatorias en ráfaga" es realmente una búsqueda de lo inesperado porque nunca las hemos detectado directamente antes y porque todavía hay tantas incógnitas que realmente no sabemos qué esperar o lo que podríamos encontrar. A veces no sabemos lo suficiente sobre la física de un sistema para predecir cómo las ondas gravitacionales de esa fuente aparecerán. También esperamos encontrar ondas gravitacionales de sistemas que nunca supimos antes. Para buscar este tipo de ondas gravitacionales, no podemos suponer que tengan propiedades bien definidas como las continuas y compactas señales binarias inspírales. Esto significa que no podemos restringir nuestros análisis a buscar sólo las firmas de las ondas gravitacionales que los científicos han predicho. La búsqueda de las ondas gravitatorias de ráfaga es un ejercicio en ser completamente abierto de mente. Para este tipo de ondas gravitacionales, los científicos deben mantener la capacidad de reconocer cuando llega un patrón notable de señales, incluso cuando una señal como ésta no ha sido predicha o modelada antes (lo que pensamos que puede ser una señal). Si no sabes lo que estás buscando, ¡es muy difícil encontrarlo! Mientras esto hace que la búsqueda de las ondas gravitatorias de ráfagas sea difícil, detectarlas tiene el mayor potencial para revelar información revolucionaria sobre el Universo que nunca habríamos aprendido de otra manera. Vamos, que es algo que creemos que nos podemos encontrar pero que todavía no hemos hallado.
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