LIGO, primera detección de ondas gravitacionales.

Primeras ondas gravitatorias detectadas después de 100 años de las predicciones de Einstein, GW150914.

Simulación de agujeros negros acercándose.

LIGO abre una nueva ventana en el universo con la observación de las ondas gravitacionales de los agujeros negros que chocan, nota de prensa.

Por primera vez, los científicos han observado ondulaciones en la estructura del espacio-tiempo llamadas ondas gravitatorias, llegando a la tierra desde un evento cataclísmico en el universo lejano. Esto confirma una predicción importante de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein de 1915 y abre una nueva ventana sin precedentes al cosmos.

Las ondas gravitatorias llevan información sobre sus orígenes dramáticos y sobre la naturaleza de la gravedad que no se puede obtener de otra manera. Los físicos han llegado a la conclusión de que las ondas gravitacionales detectadas se produjeron durante la fracción final de un segundo de la fusión de dos agujeros negros para producir un solo agujero negro giratorio más masivo. Esta colisión de dos agujeros negros había sido pronosticada pero nunca observada.

Las ondas gravitatorias fueron detectadas el 14 de septiembre de 2015 a las 5:51 am hora del este de Canadá (09:51 UTC) por los detectores gemelos del interferómetro láser del observador de la onda gravitacional (LIGO), localizados en Livingston, Luisiana, y Hanford, Washington , ESTADOS UNIDOS. Los Observatorios LIGO son financiados por la National Science Foundation (NSF), y fueron concebidos, construidos y operados por Caltech y MIT. El descubrimiento, aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters, fue realizado por LIGO Scientific Collaboration (que incluye la Colaboración GEO y el Consorcio Australiano para la Astronomía Gravitatoria Interferométrica) y la Colaboración Virgo utilizando datos de los dos detectores LIGO.

Sobre la base de las señales observadas, los científicos de LIGO estiman que los agujeros negros para este evento fueron alrededor de 29 y 36 veces la masa del sol, y el evento tuvo lugar hace 1.300 millones de años. Alrededor de 3 veces la masa del sol se convirtió en ondas gravitacionales en una fracción de segundo, con una potencia de pico de salida de aproximadamente 50 veces la del universo visible. Al mirar la hora de llegada de las señales, el detector de Livingston registró el evento 7 milisegundos antes del detector en Hanford. Los científicos pueden decir que la fuente estaba localizada en el hemisferio sur.

Esta imagen nos muestra el detectro de LIGO en Livinstong, Luisiana.
Crédito: Caltech/MIT/LIGoLab

De acuerdo con la relatividad general, un par de agujeros negros que orbitan alrededor uno del otro pierden energía a través de la emisión de ondas gravitatorias, haciéndolos aproximarse gradualmente unos a otros durante miles de millones de años, y luego mucho más rápidamente en los minutos finales. Durante la fracción final de un segundo, los dos agujeros negros chocan entre sí a casi la mitad de la velocidad de la luz y forman un solo agujero negro más masivo, convirtiendo una porción de la masa combinada de los agujeros negros en energía, según Einstein fórmula E = mc2. Esta energía se emite como una explosión final fuerte de las ondas gravitacionales. Son estas ondas gravitacionales las que LIGO ha observado.

La existencia de ondas gravitacionales fue demostrada por primera vez en los años 70 y 80 por Joseph Taylor, Jr., y colegas. Taylor y Russell Hulse descubrieron en 1974 un sistema binario compuesto por un pulsar en órbita alrededor de una estrella de neutrones. Taylor y Joel M. Weisberg en 1982 encontraron que la órbita del pulsar se estaba encogiendo lentamente con el tiempo debido a la liberación de energía en forma de ondas gravitatorias. Para descubrir el pulsar y demostrar que podría hacer posible esta medición de onda gravitacional en particular, Hulse y Taylor fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1993.

El nuevo descubrimiento de LIGO es la primera observación de las ondas gravitatorias mismas, hechas midiendo los disturbios minúsculos que las ondas hacen al espacio y al tiempo mientras pasan a través de la tierra. "Nuestra observación de las ondas gravitacionales cumple una meta ambiciosa establecida hace más de 5 décadas para detectar directamente este fenómeno elusivo y comprender mejor el universo y, adecuadamente, cumple el legado de Einstein en el centenario de su teoría general de la relatividad", dice David Caltech H. Reitze, director ejecutivo del Laboratorio LIGO.

Imagen del detector LIGO de Handford, Washington.
Crédito: Caltech/MIT/LIGO Lab.

El descubrimiento fue posible gracias a las capacidades mejoradas de Advanced LIGO, una mejora importante que aumenta la sensibilidad de los instrumentos en comparación con los detectores LIGO de primera generación, lo que permite un gran aumento en el volumen del universo probado y el descubrimiento de ondas gravitacionales durante su primera observación. La Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos lidera el apoyo financiero a Advanced LIGO. Las organizaciones financiadoras en Alemania (Sociedad Max Planck), el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (STFC, por sus siglas en inglés) y Australia (Australian Research Council) también han asumido compromisos significativos con el proyecto. Varias de las tecnologías clave que hicieron Advanced LIGO mucho más sensible han sido desarrolladas y probadas por la colaboración alemana GEO. El AEI Hannover Atlas Cluster, el Laboratorio LIGO, la Universidad de Syracuse y la Universidad de Wisconsin-Milwaukee aportaron recursos informáticos significativos. Varias universidades diseñaron, construyeron y probaron componentes clave para el Advanced LIGO: la Universidad Nacional de Australia, la Universidad de Adelaide, la Universidad de Florida, la Universidad de Stanford, la Universidad de Columbia de la Ciudad de Nueva York y la Universidad Estatal de Luisiana.

"En 1992, cuando se aprobó el financiamiento inicial de LIGO, representó la mayor inversión que la NSF había hecho alguna vez", dice France Córdova, director de la NSF. "Fue un gran riesgo. Pero la National Science Foundation es la agencia que toma este tipo de riesgos. Apoyamos la ciencia y la ingeniería fundamentales en un punto en el camino hacia el descubrimiento, donde ese camino no es nada claro. Financiamos a los pioneros. Es por eso que los Estados Unidos continúan siendo un líder mundial en el avance del conocimiento ".

La investigación LIGO es llevada a cabo por LIGO Scientific Collaboration (LSC), un grupo de más de 1000 científicos de universidades alrededor de los Estados Unidos y en otros 14 países. Más de 90 universidades e institutos de investigación en el LSC desarrollan tecnología de detección y analizan datos; aproximadamente 250 estudiantes son fuertes contribuyentes de la colaboración. La red de detectores LSC incluye los interferómetros LIGO y el detector GEO600. El equipo GEO incluye científicos del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein, AEI), Leibniz Universität Hannover, junto con socios de la Universidad de Glasgow, la Universidad de Cardiff, la Universidad de Birmingham y otras universidades del Reino Unido. la Universidad de las Islas Baleares en España.

"Esta detección es el comienzo de una nueva era: el campo de la astronomía con ondas gravitacionales es ahora una realidad", dice Gabriela González, portavoz de LSC y profesora de física y astronomía en la Universidad Estatal de Luisiana.

Crédito: Caltech/MIT/LIGO Lab.

Estas parcelas muestran las señales de las ondas gravitatorias detectadas por los observatorios gemelos de LIGO en Livingston, Luisiana, y Hanford, Washington. Las señales provienen de dos agujeros negros que se fusionan, cada uno con aproximadamente 30 veces la masa de nuestro sol, a 1.300 millones de años luz de distancia.

Las dos primeras gráficas muestran los datos recibidos en Livingston y Hanford, junto con las formas predichas para la forma de onda. Estas formas de onda predichas muestran lo que dos agujeros negros que se fusionan deberían ser similares según las ecuaciones de la teoría general de Albert Einstein de la relatividad, junto con el ruido siempre presente del instrumento. El tiempo se representa en el eje X y se evalúa en el eje Y. La deformación representa la cantidad fraccional por la cual las distancias se distorsionan. Como revelan los diagramas, los datos de LIGO coinciden muy de cerca con las predicciones de Einstein.

La gráfica final compara los datos de ambos detectores. Los datos de Hanford se han invertido para la comparación, debido a las diferencias en la orientación de los detectores en los dos sitios. Los datos también se cambiaron para corregir el tiempo de viaje de las señales de onda gravitatoria entre Livingston y Hanford (la señal llegó por primera vez a Livingston y luego, viajando a la velocidad de la luz, llegó a Hanford siete milésimas de segundo después). Como muestra la gráfica, ambos detectores fueron testigos del mismo evento, confirmando la detección.

LIGO fue propuesto originalmente como un medio de detectar estas ondas gravitatorias en los años 80 por Rainer Weiss, profesor de la física, emeritus, del MIT; Kip Thorne, Richard P. Feynman de Caltech Profesor de Física Teórica, emérito; y Ronald Drever, profesor de física, emérito, también de Caltech.

"La descripción de esta observación se describe maravillosamente en la teoría de Einstein de la relatividad general formulada hace 100 años y comprende la primera prueba de la teoría en la gravitación fuerte. Hubiera sido maravilloso ver la cara de Einstein si hubiéramos podido decirle ", dice Weiss.

"Con este descubrimiento, los seres humanos nos embarcamos en una nueva y maravillosa búsqueda: la búsqueda para explorar el lado deformado del universo-objetos y fenómenos que se hacen desde el espaciotiempo deformado. Colisionar los agujeros negros y las ondas gravitacionales son nuestros primeros ejemplos hermosos ", dice Thorne.

La investigación Virgo es llevada a cabo por la Colaboración Virgo, compuesta por más de 250 físicos e ingenieros pertenecientes a 19 grupos de investigación europeos diferentes: 6 del Centro Nacional de la Investigación Científica (CNRS) en Francia; 8 del Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia; 2 en Holanda con Nikhef; el PCR de Wigner en Hungría; el grupo POLGRAW en Polonia; y el Observatorio Gravitacional Europeo (EGO), el laboratorio que aloja el detector de Virgo cerca de Pisa en Italia.

Fulvio Ricci, portavoz de Virgo, señala que "este es un hito significativo para la física, pero lo más importante es simplemente el comienzo de muchos nuevos y emocionantes descubrimientos astrofísicos para venir con LIGO y Virgo". Bruce Allen, director gerente del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein), agrega: "Einstein pensó que las ondas gravitacionales eran demasiado débiles para detectar, y no creían en los agujeros negros. ¡Pero no creo que se molestara en equivocarse!

Cómo nuestro sol y la Tierra deforman el espacio y el tiempo, o el espacio-tiempo,
se representa aquí con una rejilla verde. Como Albert Einstein demostró
en su teoría de la relatividad general, la gravedad de los cuerpos masivos
 deforma el tejido del espacio y del tiempo, y esos cuerpos se mueven
por caminos determinados por esta geometría.
Su teoría también predijo la existencia de ondas gravitacionales,
 que son ondulaciones en el espacio y el tiempo. Estas ondas, que se mueven a la
velocidad de la luz, se crean cuando los cuerpos masivos aceleran a través
del espacio y el tiempo.
Crédito de la imagen: T. Pyle / Caltech / Laboratorio MIT / LIGO

"Los detectores avanzados de LIGO son un tour de force de la ciencia y la tecnología, hecho posible por un equipo internacional verdaderamente excepcional de técnicos, de ingenieros, y de científicos," dice a David Shoemaker de MIT, el líder del proyecto para LIGO avanzado. "Estamos muy orgullosos de que hayamos terminado este proyecto financiado por la NSF en tiempo y presupuesto".

En cada observatorio, el interferómetro LIGO en forma de L de dos kilómetros y medio de largo (4 km) utiliza luz láser dividida en dos haces que viajan hacia adelante y hacia atrás por los brazos (tubos de cuatro pies de diámetro mantenidos debajo de un - vacío perfecto). Las vigas se utilizan para controlar la distancia entre los espejos precisamente situados en los extremos de los brazos. Según la teoría de Einstein, la distancia entre los espejos cambiará en una cantidad infinitesimal cuando una onda gravitacional pasa por el detector. Se puede detectar un cambio en las longitudes de los brazos menores de un diez milésimas del diámetro de un protón (10-19 metros).

"Para hacer este fantástico hito posible tomó una colaboración global de científicos-láser y la tecnología de suspensión desarrollada para nuestro detector GEO600 se utilizó para ayudar a hacer Advanced LIGO el más sofisticado detector de ondas gravitacionales jamás creado", dice Sheila Rowan, profesor de física y astronomía en la Universidad de Glasgow. Se necesitan observatorios independientes y ampliamente separados para determinar la dirección del evento causante de las ondas gravitacionales y también para verificar que las señales provienen del espacio y no provienen de algún otro fenómeno local.

Con este fin, el Laboratorio LIGO está trabajando estrechamente con científicos de la India en el Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica, el Centro de Tecnología Avanzada Raja Ramanna y el Instituto de Plasma para establecer un tercer detector Advanced LIGO en el subcontinente indio. A la espera de la aprobación del gobierno de la India, podría estar operativo a principios de la próxima década. El detector adicional mejorará en gran medida la capacidad de la red global de detectores para localizar las fuentes de onda gravitatoria.

"Esperemos que esta primera observación acelere la construcción de una red global de detectores para permitir una ubicación exacta de la fuente en la era de la astronomía multi-mensajería", dice David McClelland, profesor de física y director del Centro de Física Gravitacional de la Universidad Nacional de Australia .

Publicado en LIGO el 11 de febrero del 2.016.