El descubrimiento de una nueva onda gravitacional a 104 años de la Teoría de la Relatividad
“Como un desafío a las teorías evolutivas estelares”: así se cataloga la onda gravitacional más masiva registrada.
La comunidad científica ha utilizado la luz para observar el universo durante décadas y es gracias a ella que puede conocer más del universo y sus misterios. Uno de ellos son los agujeros negros, objetos que hasta el día de hoy son extraños, escurridizos e incomprendidos.
Gracias a los nuevos avances tecnológicos como LIGO hemos podido captar objetos y otros descubrimientos que se realizaron hace bastante tiempo atrás y que en ese entonces solo eran ideas y/o fórmulas matemáticas… Como las ondas gravitacionales.
Imagen 1. Crédito: LIGO / Caltech / MIT / R. Herido (IPAC).
El 21 de mayo de 2019, los detectores internacionales Advance LIGO (Estados Unidos) y Advance VIRGO (Europa) detectaron la señal de una onda gravitacional producida por la fusión de dos agujeros negros.
Esta fue denominada como GW190521, la cual tuvo una duración de 0,1 segundos y alcanzó su punto máximo a una frecuencia inferior que cualquier otra fusión de agujeros negros captada anteriormente.
En el segundo día de septiembre de 2020, el equipo científico de LIGO y VIRGO anunciaban oficialmente su existencia como una onda binaria gravitacional que se consideró como la más masiva observada hasta la fecha.
Este sistema binario masivo en fusión se formó por dos agujeros negros de 66 y 85 masas solares, acabando en un solo agujero negro de aproximadamente 142 masas solares. El remanente es el más masivo captado con ondas gravitacionales, proporcionando la primera detección clara de un agujero negro de «masa intermedia».
Imagen 2. Representaciones de frecuencia de tiempo de datos que contienen la señal GW190521, observadas por LIGO Hanford (arriba izquierda), LIGO Livingston (arriba derecha) y Virgo (abajo). Los tiempos se muestran en relación con las 03:02:29 UTC del 21 de mayo de 2019. La energía en un determinado intervalo de frecuencia de tiempo está representada por la paleta de colores. Ten en cuenta la duración extremadamente corta de la señal y su frecuencia máxima de aproximadamente 60 Hz.
Cabe añadir que son muy pocos los agujeros negros de masa intermedia, o candidatos a este tipo de agujero, que se han detectado mediante las observaciones electromagnéticas.
¿Qué son las Ondas Gravitacionales?
Un ejemplo sencillo de las ondas gravitacionales lo tenemos cuando lanzamos una piedra a un estanque y se producen ondas que se propagan en todas las direcciones.
Las ondas gravitacionales son ondas invisibles en el espacio-tiempo causadas por el movimiento de objetos masivos a grandes aceleraciones. Se desplazan a la velocidad de la luz (app. 300mil k/s) contrayendo y estirando a cualquier objeto que se encuentre en su camino. En este caso, la piedra sería un objeto de gran masa, el estanque es el espacio-tiempo y la onda es la onda.
Los eventos que pueden producir una onda gravitacional son: Supernovas, estrellas de neutrones, estrellas binarias, agujeros negros orbitando entre sí.
En 1916 cuando Albert Einstein publicó la Teoría de la Relatividad General, este predijo la existencia de estas ondas. Sus matemáticas indicaron que los objetos masivos acelerados irrumpirían en el espacio-tiempo provocando ondas, las cuales, se propagarían en todas direcciones viajando a la velocidad de la luz y llevando consigo información sobre el origen del Universo y varias pistas sobre la naturaleza de la gravedad.
Albert Einstein, fotografía oficial del Premio Nobel de Física de 1921.
Pese a que Einstein predijo su existencia, no fue hasta 1974 cuando se probó su existencia. Dos astrofísicos descubrieron un pulsar binario mientras utilizaban el Arecibo Observatory en Puerto Rico y el cuerpo coincidió con el tipo de sistema que Einstein predijo en la Relatividad General. Sabiendo esto, los astrofísicos comenzaron a medir la variación de las órbitas de las estrellas con el tiempo y luego de ocho años de observaciones concluyeron que las estrellas se acercaban una a la otra a velocidades predichas por la teoría, tal como si emitieran ondas gravitacionales. Puedes apreciar lo anterior en la siguiente vínculo.
El 14 de septiembre de 2015 un grupo científico confirmó la existencia de estas perturbaciones en el espacio-tiempo: LIGO detectó estas ondulaciones provocadas por ondas gravitacionales generadas por dos agujeros negros en colisión a 1300 millones de años luz de distancia de la Tierra y la cantidad de oscilación del espacio-tiempo que generaron estas ondas fue mil veces más pequeñas que el núcleo atómico. .
¿Qué es LIGO?
El observatorio de ondas gravitacionales de interferómetro láser (por sus siglas en inglés LIGO) es el observatorio de ondas gravitacionales más grande del mundo.
Está compuesto por dos enormes interferómetros láser ubicados a 3000 kilómetros de distancia. Utiliza las propiedades físicas de la luz y el espacio para detectar y entender los orígenes de las ondas gravitacionales (GW).
Dos de estos interferómetros están en Estados Unidos, uno en Hanford, Washington, y otro en Livingston, Louisiana. Los demás interferómetros se encuentran en Italia (VIRGO), Alemania (GEO) y Japón (TAMA).
Pese a que es un observatorio, LIGO no ve radiación electromagnética. Esto se debe a que las ondas gravitacionales no forman parte del espectro electromagnético de la luz.
Cada detector se compone de dos brazos de 4 kilómetros de largo, los cuales están conformados por tubos vacíos de acero de 1,2 metros de ancho dispuestos en forma de “L” y cubiertos por un refugio de hormigón de aproximadamente 3 metros de ancho y 3,7 metros de alto para protegerlos del medioambiente.
Puede detectar ondas gravitacionales de cualquier dirección, incluso de “abajo”. Los datos que recolecta este observatorio tienen gran alcance en diversas áreas como la astrofísica, cosmología, física de partículas entre otras disciplinas.
Imagen 3. Vista aérea del detector LIGO en Hanford, Washington (izquierda) y Vista aérea del detector LIGO en Livingston, Luisiana.
¿Cómo LIGO detecta las ondas gravitacionales?
Cuando una onda gravitacional pasa por la Tierra, esta interactúa con la materia comprimiendo los cuerpos en una dirección y estirándolos en la contraria, por lo que los interferómetros observan los patrones de interferencia que se producen al combinar dos fuentes de luz. Cuando pasa una onda, hace que la longitud de los brazos del observatorio varíe un poco. LIGO utiliza láseres, espejos y otros instrumentos altamente sensibles para detectar estas variaciones.
Créditos: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.
Para finalizar, en la imagen anterior se ve como (a) se envía luz láser al instrumento para medir los cambios en la longitud de los dos brazos. Posteriormente (b) un "divisor de haz" divide la luz y envía dos haces idénticos a lo largo de los brazos, (c) las ondas de luz rebotan en el espejo y regresan, (d) una onda gravitacional afecta los brazos del interferómetro de manera diferente: una se extiende y la otra se contrae a medida que pasan de los picos y valles de las ondas gravitacionales. (e) Normalmente, la luz regresa sin cambios al divisor de haz desde ambos brazos y las ondas de luz se cancelan entre sí.
