¡Las ondas gravitacionales

Me parece al caso traer aquí este trabajo que puse hace algún tiempo ya, toda vez que el reciente hallazgo de las Ondas gravitacionales lo ha renovado y su contenido puede resultar interesante al filo de la noticia. Decía por aquel entonces:

         Kip Stephen Thorne

 « ¿La Vida? ¿Quién puede pararla?

Lo que nos cuentan Kip S. Thorne y  otros especialistas en Agujeros negros nos posibilitan para entender algo mejor los mecanismos de estos extraños objetos que aún esconden misterios que no hemos sabido resolver. Está claro que muchas de las cosas que sobre agujeros negros podemos leer son, en realidad, especulaciones de cosas que se deducen por señales observadas pero que, de ninguna manera, se pueden tomar como irrefutables verdades, más bien, las tomaremos como probables o muy probables de acuerdo a los resultados obtenidos de muchos experimentos y, ¿por qué no? de muchas horas de prácticas teóricas y pizarras llenas de ecuaciones que tratan de llegar al fondo de un saber que, desde luego, nos daría la clave de muchas cuestiones que en nuestro Universo son aún desconocidas.

 De lo que debemos tener pocas dudas a estas alturas es del hecho cierto de que objetos hipermasivos causan distorsiones espaciotemporales y, como decía Einstein, en presencia de grandes masas el espacio construye su geometría.

En el corazón de una galaxia lejana, a más de 1.000 millones de años-luz de la Tierra y hace 1.000 millones de años, se acumuló un denso aglomerado de gas y cientos de millones de estrellas. El aglomerado se contrajo gradualmente, a medida que algunas estrellas escapaban y los 100 millones de estrellas restantes se hundían más hacia el centro. Al cabo de 100 millones de años, el aglomerado se había contraído hasta un tamaño de varios años-luz, y pequeñas estrellas empezaron, ocasionalmente, a colisionar y fusionarse, formando estrellas mayores. Las estrellas mayores consumieron su combustible y luego implosionaron para formar agujeros negros; y, en ocasiones, cuando dos de estos agujeros pasaban uno cerca del otro, quedaban ligados formando pares en los que cada agujero giraba en órbita alrededor del otro.

Cuando se forma un par de agujeros negros binarios semejantes, cada agujero crea un pozo profundo (intensa curvatura espacio-temporal) en la superficie insertada y, a medida que los agujeros giran uno en torno al otro, los pozos en órbita producen ondulaciones de curvatura que se propagan hacia afuera a la velocidad de la luz. Las ondulaciones forman una espiral en el tejido del espacio-tiempo en torno al sistema binario, muy semejante a la estructura espiral del agua que procede de un aspersor que gira rápidamente. Los fragmentos de curvatura forman un conjunto de crestas y valles en espiral en el tejido espacio-temporal.

Puesto que la curvatura-espaciotemporal es lo mismo que la gravedad, estas ondulaciones de curvatura son realmente ondas de gravedad (ondas gravitatorias). La Teoría de la Relatividad General de Einstein predice, de forma inequívoca, que tales ondas gravitatorias deben producirse siempre que dos agujeros negros orbiten uno en torno al otro.

Cuando parten hacia el espacio exterior, las ondas gravitacionales producen una reacción sobre los agujeros de la misma forma que una bala hace retroceder el fusil que la dispara. El retroceso producido por las ondas aproxima más los agujeros y les hace moverse a velocidades mayores; es decir, hacen que se muevan en una espiral que se cierra lentamente y hace que se vayan acercando el uno hacia el otro. Al cerrarse la espiral se genera poco a poco energía gravitatoria, una mitad de la cual va a las ondas y la otra mitad va a incrementar las velocidades orbitales de los agujeros.

El movimiento en espiral de los agujeros es lento al principio; luego, a medida que los agujeros se acercan, se mueven con mayor velocidad, radian sus ondulaciones de curvatura con más intensidad, y pierden energía y se cierran en espiral con más rapidez. Finalmente, cuando cada agujero se está moviendo a una velocidad cercana a la de la luz, sus horizontes se tocan y se fusionan. Donde una vez hubo dos agujeros, ahora sólo hay uno mucho mayor.

El horizonte del agujero giratorio queda perfectamente liso y con su sección ecuatorial circular, con la forma descrita precisamente  por la solución de Kerr a la ecuación de campo de Einstein. Cuando se examina el agujero negro liso final, no hay ningún modo de descubrir su historia pasada. No es posible distinguir si fue creado por la coalescencia de dos agujeros más pequeños, o por la implosión directa de una estrella supermasiva construida por materia, o por la implosión directa de una estrella constituida por “antimateria”. El agujero negro no tiene “pelo” a partir del cual se pueda descifrar su historia.

                                    También dos estrellas de neutrones pueden producir ondas

Sin embargo, la historia no se ha perdido por completo: ha quedado un registro codificado en las ondulaciones de la curvatura espacio-temporal que emitieron los agujeros coalescentes. Dichas ondulaciones de curvatura son muy parecidas a las ondas sonoras de una sinfonía. De la misma forma que la sinfonía está codificada en las modulaciones de las ondas sonaras (mayor amplitud aquí, menor allí), también la historia de la coalescencia está codificada en modulaciones de las ondulaciones de curvatura. Y de la misma forma que las ondas sonoras llevan su sinfonía codificada desde la orquesta que la produce hasta la audiencia, también las ondulaciones de curvatura llevan su historia codificada desde los agujeros fusionados hasta los rincones más lejanos del Universo lejano, lo único que tenemos que hacer es construir la estructura capaz de captarlas.

Las ondulaciones de curvatura viajan hacia afuera por el tejido del espacio-tiempo a través del conglomerado de estrellas y gas del que nacieron los agujeros. El aglomerado no absorbe las ondulaciones ni las distorsiona en absoluto; la historia codificada de las ondulaciones permanece perfectamente invariable, se expanden hacia el exterior de la galaxia madre del aglomerado y el espacio intergaláctico, atraviesan el cúmulo de galaxias del que forma parte la galaxia progenitora, luego siguen atravesando un cúmulo de galaxias tras otro hasta llegar a nuestro propio cúmulo, dentro del cual está nuestra Vía Láctea con nuestro Sistema Solar, atraviesan la Tierra, y continúan hacia otras galaxias distantes.

Claro que, en toda esta historia había un fallo, los físicos humanos, no eran lo suficientemente hábiles para haber podido construir aparatos capaces de detectar y oír las sinfonías  mencionadas con entusiasmo por el Sr. Thorne y, que según el creía, eran mensajes que nos traen esas ondas de gravedad de los agujeros negros binarios.

Finalmente, a los precursores teóricos de las ondas gravitacionales, los tres físicos que en la imagen se mencionan, pudieron ser premiados cuando se confirmó el hallazgo de sus predicciones.

Antes de ellos era como si no pudiéramos oír esa hermosa sinfonía que nos mostraría un nuevo Universo por nosotros desconocido. Ahora sabemos que por medio de potentes telescopios podemos conocer lo que es el Universo, podemos observar galaxias lejanas y estudiar cúmulos de galaxias o de estrellas y captar las imágenes de bonitas Nebulosas, todo eso es posible gracias a que al captar la luz que emitieron esos objetos cosmológicos hace decenas, cientos, miles o millones de años como señal electromagnética que viajando a la velocidad de c, hace posible que podamos ver lo observado como era entonces, en aquel pasado más o menos lejano.

De la misma manera, ahora, podemos captar sucesos lejanos a través de las ondas gravitatorias emitidas por estos objetos misteriosos, se podrán llegar a captar con tal claridad que nos permitirá saber de otra faceta (ahora) desconocida del Universo, y, sobre todo, podremos entender el pasado de esos densos objetos que, de momento, nos resultan exóticos y también extraños.

emilio silvera

 « ¿La Vida? ¿Quién puede pararla?

Lo que nos cuentan Kip S. Thorne y  otros especialistas en Agujeros negros nos posibilitan para entender algo mejor los mecanismos de estos extraños objetos que aún esconden secretos que no hemos sabido desvelar. Está claro que muchas de las cosas que sobre agujeros negros podemos leer, son en realidad, especulaciones de cosas que se deducen por señales obervadas pero que, de ninguna manera, se pueden tomar como irrefutables verdades, más bien, las tomaremos como probables o muy probables de acuerdo a los resultados obtenidos de muchos experimentos y, ¿por qué no? de muchas horas de prácticas teóricas y pizarras llenas de ecuaciones que tratan de llegar al fondo de un saber que, desde luego, nos daría la clave de muchas cuestiones que en nuestro Universo son aún desconocidas.

¿Qué clase de masa conforma la singularidad? ¿Emiten alguna clase de radiación o no? ¿Por qué algunas agujeros negros explotan? ¿Será cierto que por una parte el agujero negro engulle masa y por la contraria la expulsa? Incluso algunos han especulado con la posibilidad de viajar a través del agujero negro y salir a otro universo… ¡Cualquier locura es válida en la especulación!

En el corazón de una galaxia lejana, a más de 1.000 millones de años-luz de la Tierra y hace 1.000 millones de años, se acumuló un denso aglomerado de gas y cientos de millones de estrellas. El aglomerado se contrajo gradualmente, a medida que algunas estrellas escapaban y los 100 millones de estrellas restantes se hundían más hacia el centro. Al cabo de 100 millones de años, el aglomerado se había contraído hasta un tamaño de varios años-luz, y pequeñas estrellas empezaron, ocasionalmente, a colisionar y fusionarse, formando estrellas mayores. Las estrellas mayores consumieron su combustible y luego implosionaron para formar agujeros negros; y, en ocasiones, cuando dos de estos agujeros pasaban uno cerca del otro, quedaban ligados formando pares en los que cada agujero giraba en órbita alrededor del otro.

Cuando se forma un par de agujeros negros binarios semejantes, cada agujero crea un pozo profundo (intensa curvatura espacio-temporal) en la superficie insertada y, a medida que los agujeros giran uno en torno al otro, los pozos en órbita producen ondulaciones de curvatura que se propagan hacia afuera a la velocidad de la luz. Las ondulaciones forman una espiral en el tejido del espacio-tiempo en torno al sistema binario, muy semejante a la estructura espiral del agua que procede de un aspersor de cesped que gira rápidamente. Los fragmentos de curvatura forman un conjunto de crestas y valles en espiral en el tejido espacio-temporal.

Puesto que la curvatura-espaciotemporal es lo mismo que la gravedad, estas ondulaciones de curvatura son realmente ondas de gravedad, u ondas gravitatorias. La Teoría de la Relatividad General de Einsteinpredice, de forma inequívoca, que tales ondas gravitatorias deben producirse siempre que dos agujeros negros orbiten uno en torno al otro.

Cuando parten hacia el espacio exterior, las ondas gravitacionales producen una reacción sobre los agujeros de la misma forma que una bala hace retroceder el fusil que la dispara. El retroceso producido por las ondas aproxima más los agujeros y les hace moverse a velocidades mayores; es decir, hacen que se muevan en una espiral que se cierra lentamente y hace que se vayan acercando el uno hacia el otro. Al cerrarse la espiral se genera poco a poco energía gravitatoria, una mitad de la cual va a las ondas y la otra mitad va a incrementar las velocidades orbitales de los agujeros.

El movimiento en espiral de los agujeros es lento al principio; luego, a medida que los agujeros se acercan, se mueven con mayor velocidad, radian sus ondulaciones de curvatura con más intensidad, y pierden energía y se cierran en espiral con más rapidez. Finalmente, cuando cada agujero se está moviendo a una velocidad cercana a la de la luz, sus horizontes se tocan y se fusionan. Donde una vez hubo dos agujeros, ahora sólo hay uno.

El horizonte del agujero giratorio queda perfectamente liso y con su sección ecuatorial circular, con la forma descrita precisamente  por la solución de Kerr a la ecuación de campo de Einstein. Cuando se examina el agujero negro liso final, no hay ningún modo de descubrir su historia pasada. No es posible distinguir si fue creado por la coalescencia de dos agujeros más pequeños, o por la implosión directa de una estrella supermasiva construida por materia, o por la implosión directa de una estrella constituida por antimateria. El agujero negro no tiene “pelo” a partir del cual se pueda descifrar su historia.

También dos estrellas de neutrones pueden producir ondas. Como ya se intuía y vaticinaban los rumores de los científicos, al fin se han descubierto la fusión de dos estrellas de neutrones acaecida hace millones de años a millones de años luz.

Pero lo verdaderamente interesante de esta detección es que el mismo suceso ha sido observado tanto el “espectro de las ondas gravitatorias” como en el espectro electromagnético.

Sin embargo, la historia no se ha perdido por completo: ha quedado un registro codificado en las ondulaciones de la curvatura espacio-temporal que emitieron los agujeros coalescentes. Dichas ondulaciones de curvatura son muy parecidas a las ondas sonoras de una sinfonía. De la misma forma que la sinfonía está codificada en las modulaciones de las ondas sonaras (mayor amplitu aquí, menor allí), también la historia de la coalescencia está codificada en modulaciones de las ondulaciones de curvatura. Y de la misma forma que las ondas sonoras llevan su sinfonía codificada desde la oequesta que la produce hasta la audiencia, también las ondulaciones de curvatura llevan su historia codificada desde los agujeros fusionados hasta los rincones más lejanos del Universo lejano.

Las ondulaciones de curvatura viajan hacia afuera por el tejido del espacio-tiempo a través del conglomerado de estrellas y gas del que nacieron los agujeros. El aglomerado no absorbe las ondulaciones ni las distorsiona en absoluto; la historia codificada de las ondulaciones permanece perfectamente invariable, se expanden hacia el exterior de la galaxia madre del aglomerado y el espacio intergaláctico, atraviesan el cúmulo de galaxias del que forma parte la galaxia progenitora, luego siguen atravesando un cúmulo de galaxias tras otro hasta llegar a nuestro propio cúmulo, dentro del cual está nuestra Vía Láctea con nuestro Sistema Solar, atraviesan la Tierra, y continúan hacia otras galaxias distantes.

Por aquel entonces decía:

“Claro que, en toda esta historia hay un fallo, nosotros, los humanos, aún no somos lo suficientemente hábiles para haber podido construir aparatos capaces de detectar y oir las sinfonías  mencionadas con entusiamos por el Sr. Thorne y, que según el cree, son mensajes que nos traen esas ondas de gravedad de los agujeros negros binarios. Es como si no pudiéramos oir esa hermosa sinfonía que nos mostraría un nuevo Universo por nosotros desconocido. Ahora sabemos que por medio de potentes telescopios podemos conocer lo que es el Universo, podemos observar galaxias lejanas y estudiar cúmulos de galaxias o de estrellas y captar las imágenes de bonitas Nebulosas, todo eso es posible gracias a que al captar la luz que emitieron esos objetos cosmológicos hace decenas, cientos, miles o millones de años como señal electromagnética que viajando a la velociodad de c, hace posible que podamos ver lo observado como era entonces, en aquel pasado más o menos lejano. De la misma manera, se cree que, las ondas gravitatorias emitidas por estos objetos misteriosos, se podrán llegar a captar con tal claridad que nos permitirá saber de otra faseta (ahora) desconocida del Universo, y, sobre todo, podremos entender el pasado de esos densos objetos que, de momento, nos resultan exóticos y también extraños.”

 

Finalmente el Proyecto LIGO lo ha conseguido y al Señor Thorne le dieron el Nobel.

emilio silvera

Ya es un secreto a voces. El próximo lunes 16 de octubre se anunciará de forma oficial un importante hallazgo científico. El observatorio de ondas gravitacionales de Estados Unidos, el LIGO, ha anunciado una rueda de prensa para las cuatro de la tarde (hora española), «para discutir nuevos desarrollos en la astronomía de ondas gravitacionales», tal como ha anunciado a través de un comunicado de prensa. Por su parte, el Observatorio Europeo Austral (ESO), del que dependen muchos de los telescopios más potentes del planeta, ha anunciado en otro comunicado una rueda de prensa para la misma hora y en este caso «para presentar observaciones revolucionarias de un fenómeno que nunca antes ha sido presenciado».

Todo lo relacionado con el anuncio está embargado hasta el próximo lunes y no ha trascendido ningún detalle, salvo la composición de la representación de los investigadores que harán el anuncio. Allí habrá importantes representantes del LIGO (como David Reitze o David Shoemaker), así como otros del observatorio europeo de ondas gravitacionales (Virgo). También habrá astrónomos relacionados con la Astronomía de rayos gamma, supernovas y la búsqueda de la contraparte óptica de las ondas gravitacionales, entre otras ramas.

Rayos Gamma y estrellas de neutrones

Si dos estrellas de neutrones se encuentran se producen ondas gravitatorias

El pasado 3 de octubre, después de haber recibido el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de ondas gravitacionales, Rainer Weiss dijo que algo muy interesante iba a ocurrir en el futuro: «De hecho, ya ha ocurrido, de alguna forma, y más pasará el 16 de octubre». No quiso adelantar más para no robarle el protagonismo a los descubridores, pero sí recordó que uno de los eventos más esperados entre los buscadores de ondas gravitacionales es la fusión de estrellas de neutrones.

Kip Thorne, el experto en agujeros negros que también recibió el Nobel por las ondas, explicó a ABC meses atrás que a partir de la posible observación de la fusión de estrellas de neutrones «aprenderemos mucho sobre la fuerza nuclear que controla las propiedades de la materia de una estrella de neutrones». Y aún hay más: «Al combinar estas observaciones con observaciones electromagnéticas –apuntando con telescopios al fenómeno– esperamos aprender la naturaleza de los misteriosos estallidos de rayos gamma (GRB), que los astrónomos han estado observando durante décadas».

Este fenómeno dura solo unos segundos y puede ir seguido de destellos de luz visible, ondas de radio y rayos X que pueden llegar a durar varios días. Tal como dijo en Nature.com Stuart Shapiro, astrofísico en la Universidad de Illinois, Estados Unidos, la detección de las ondas gravitacionales de la fusión de dos estrellas de neutrones marcaría una nueva era en la Astronomía, en la que un mismo fenómeno podría verse a través de telescopios y ser «escuchado» por medio de las vibraciones del espacio-tiempo, las ondas gravitacionales: «Sería un increíble avance en lo que sabemos».

En definitiva, de tratarse de este hallazgo, los científicos tendrían una nueva forma de medir de forma más precisa la exactitud de lo predicho por la Relatividad de Einstein, puesto que la fusión de estrellas de neutrones puede durar un minuto en vez de los segundos de la fusión de agujeros negros. Además, quizás se podrían averiguar cosas interesantes sobre el origen y la estructura de las estrellas de neutrones (bastante desconocidos) y, lo que es más importante, se podría dilucidar definitivamente de donde provienen los estallidos de rayos gamma (GRBs), un fenómeno cuyo origen no es claro.

El día en que se disparó la expectación

Estos sucesos nos dejan oir la música del Universo

La expectación de este hallazgo comenzó en agosto, cuando el astrónomo de la Universidad de Texas, Austin, EE.UU., J. Craig Wheeler, escribió un mensaje en Twitter en el que decía que el LIGO había captado una nueva fuente con una contraparte óptica. «¡Es extraordinario!», escribió. Arrepentido, Wheeler reculó y dijo que su mensaje había sino inapropiado y que no debía ser él quien hiciera el anuncio. LIGO, por su parte, aclaró que habían detectado varios candidatos a fuente de ondas gravitacionales pero que haría falta tiempo para hacer los cálculos necesarios para poder confirmarlo.

Este año ya habían recibido el Premio Princesa de Asturias de Investigación Científica y Técnica, y hoy son los ganadores del Premio Nobel de Física 2017: los físicos estadounidenses Rainer Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne.

La Real Academia Sueca de la Ciencias lo ha dado a conocer hoy, concediendo la mitad del premio a Weiss y la otra mitad compartida entre Barish y Thorne, “por sus contribuciones decisivas al detector LIGO, en EE UU, y la observación de las ondas gravitacionales.

Estas ondulaciones del tejido del espacio-tiempo, predichas por Albert Einstein hace cien años,  se observaron por primera vez el 14 de septiembre de 2015. Procedían de la colisión de dos agujeros negros y tardaron 1.300 millones de años en llegar al detector LIGO.

La señal de estas ondas es extremadamente débil cuando llegó a nuestro planeta, pero suponen toda una revolución en astrofísica. Constituyen una forma completamente nueva de observar los eventos más violentos del espacio y explorar de una forma diferente nuestro universo.

Los físicos estadounidenses Rainer Weiss, Kip S. Thorne y Barry C. Barish han sido galardonados con el Premio Nobel de Física 2017. (Foto: MIT/Keenan Pepper/R. Hahn)

Weiss y Thorne, junto al investigador Ronald Drever (fallecido en marzo de 2017) fueron los que, en los años ochenta, propusieron la construcción para la detección de ondas gravitacionales –ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo– predichas por Albert Einstein hacía un siglo en su teoría general de la relatividad.

Este observatorio estuvo dirigido entre 1997 y 2006 por el tercer galardonado, Barish, que impulsó la fundación en 1997 de la colaboración científica LIGO, en la que se han integrado investigadores de universidades e instituciones de todo el mundo, incluido un equipo español: el Grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de las Islas Baleares. (Fuente: Nobel Prize)