Ondas gravitacionales. GW150914

Publicado en Destacados.

 

GW150914. Para algunos, este conjunto numérico es algo extraño. Para otros, sin embargo, es de sobra conocido. Tanto para unos como para otros es importante porque se trata de un acontecimiento que nos atañe a todos. Las dos primeras letras son las siglas de Gravitational Waves (Ondas gravitacionales). La fila de números que le sigue son una fecha: 14 de septiembre de 2015. De ese evento os quiero hablar hoy.

Antes de ir directamente a la definición de lo que es o no una onda gravitacional, deberíamos preguntarnos qué es una onda. Pongo un ejemplo que sirva como análogo para hacer una primera aproximación a lo que son las ondas gravitacionales. Supongo que muchos de vosotros habréis tirado una piedra o algún objeto en una superficie con agua como un pantano. Bien, pues lo que produce el objeto al introducirse y atravesar el agua son ondas. El movimiento perturba el espacio y genera una onda. La superficie del agua se ondula dejando atrás la perturbación producida por la piedra. Ese espacio perturbado, en este ejemplo, contiene materia en forma de agua.

¿Cómo definimos entonces las ondas gravitacionales? Son vibraciones en el espacio-tiempo que se desplazan atravesando el Universo en todas las direcciones a velocidades relativistas. Es decir, a la velocidad de la luz. Podemos decir que se propagan en el vacío y, al igual que las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales se desplazan de forma transversal y no de manera longitudinal, como lo harían las ondas de sonido. 

transverse waveRepresentación de una onda transversal. (Credits: Revision World) 

En el caso de GW150914, se trata de la detección de ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros hace más de mil millones de años.

GW1
Simulación de la fusión de dos agujeros negros. (Credits: LIGO-VIRGO)

Pero, y ¿qué sabemos del evento en sí mismo? ¿Qué sabemos de GW150914? Los datos del análisis que nos ofrece LIGO (hablaremos de este experimento más adelante) nos dicen que se trata de la fusión de dos agujeros negros de una masa aproximada de 36 y 29 veces la del Sol. Dando lugar a un agujero negro de alrededor de 62 masas solares. Este agujero negro resultante está en rotación. La energía restante, es emitida en forma de ondas gravitacionales. Y, como dato curioso, esta energía (que equivale a tres masas solares) fue emitida en una fracción de segundo. 

GW2
El evento GW150914 observado por los detectores de LIGO Hanford (Izquierda) y LIGO Livingston (Derecha). (Credits: LIGO)

 Y, ¿cómo es posible detectar y extraer información de este cataclismo en el cosmos? Es necesario un interferómetro como el de LIGO. Uno de los experimentos más precisos del mundo.

Un interferómetro está compuesto por dos brazos perpendiculares entre sí. En el caso de LIGO, estos brazos tienen una longitud de 4 kilómetros. Un haz de luz láser es enviado a un espejo parcialmente reflectante (Beam-splitting mirror, en la imagen). Éste, divide el haz de luz en dos trayectorias que atravesarán los brazos y serán reflejados de vuelta hacia el espejo central. El espejo central se encarga de recombinar los dos haces de luz dirigiéndolos a un detector (Light detector) dando lugar a un resultado. 

GW3
Diseño del interferómetro LIGO. (Credits: Science News)

Cuando las ondas gravitacionales están atravesando el interferómetro, las distancias entre el espejo central (Beam-splitting mirror) y los espejos situados en los extremos, se estiran y se encojen alternativamente. La longitud de onda resultante produce señales en el detector principal (Light detector) llamadas patrones de interferencia.

Para llegar a comprender la precisión de este interferómetro, hay que decir que LIGO es tan sensible que puede medir cambios en la distancia tan diminutos como una milésima parte del diámetro de un protón. Así que sí, podemos volver a afirmar que este experimento es de los más precisos del mundo.

Cabe añadir, que el descubrimiento de las ondas gravitacionales ha sido también una forma de confirmar directamente la existencia de los agujeros negros. Es cierto que había teorías que ya lo apuntaban como los discos de acreción, pero la detección de las ondas gravitacionales los asegura.

Por supuesto, Albert Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales hace más de 100 años en su Teoría General de la Relatividad, haciendo mención a la gran cantidad de energía que podía ser liberada de la masa proveniente de eventos que suceden en el Universo. También en el año 1974, Russell Hulse y Joseph Taylor anticiparon la existencia de estas ondas gravitacionales al detectar el púlsar binario PSR 1913+16 con el radiotelescopio Arecibo.

La detección de estas ondas gravitacionales ha dado lugar a que Kip Thorne, Rainer Weiss y Barry C. Baris hayan obtenido el premio Nobel de Física el pasado año 2017, por su contribución a la detección y descubrimiento de las mismas con el experimento LIGO.

Aún queda mucho camino por recorrer, pero a día de hoy, ya se han obtenido cinco detecciones más aparte de la mencionada en este artículo. Cuatro de ellas son por la fusión de dos agujeros negros (GW151226, GW170104, GW170814, GW170608) y una detección más que tiene una especial relevancia, producida por la fusión de dos estrellas de neutrones (GW170817). Con esta última, además de ofrecernos mucha información acerca del evento en sí mismo, se demostró que las ondas gravitacionales viajan a velocidades relativistas.

Pero sin duda, algo realmente importante de esta primera detección es que se ha encontrado una nueva vía para conocer el Universo. Al estudio que se ha venido haciendo hasta ahora mediante la observación directa, hay que añadirle este otro método que nos ayudará a comprender aquello que no vemos y que sucedió hace miles de millones de años en lo más profundo del cosmos.

Artículo redactado por Pedro Real.

Agradecer a Iñaki Ordóñez Etxeberria y a Roberto García la revisión de este texto.

 Referencias:

Transversal wave - https://revisionworld.com/gcse-revision/physics/waves/describing-waves
GW150914 https://losc.ligo.org/events/GW150914/detail/
Interferometer image: Science News Rusell Hulsey & JosephTaylor - https://svs.gsfc.nasa.gov/30569
Simulation of two massive black holes collidingLIGO VIRGO - https://www.youtube.com/watch?v=vm9sAdXwPrE
LIGO Gravitational Wave Chirp (Georgia Tech) - https://www.youtube.com/watch?v=TWqhUANNFXw
Information about gravitational-wave detections made by LIGO to date. - https://www.ligo.org/detections.php  
Hulse-Taylor Pulsar (PSR 1913+16) http://www.daviddarling.info/encyclopedia/H/HulseTaylor.html
A laser interferometer Gravitational-Wave observatory (LIGO) – https://dcc.ligo.org/public/0065/M890001/003/M890001-03%20edited.pdf

Formulario de acceso