Primera detección directa de ondas gravitacionales

Por primera vez, los científicos han observado ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo llamado ondas gravitacionales, al llegar a la Tierra después de un evento catastrófico en el universo distante.

infobs indas grav
Concepción artística de los dos agujeros negros a punto de colisionar.

Esto confirma una importante predicción de 1915 la Teoría General de la Relatividad de Einstein y se abre una nueva ventana sin precedentes para la investigación del cosmos.

En el siguiente video, la manera en que las ondas gravitacionales deforman la Tierra (MUYYYY exagerado).

Las ondas gravitacionales llevan la información acerca de sus orígenes violentos 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 por el LIGO se produjeron durante la última fracción de un segundo de la fusión de dos agujeros negros, para producir un único agujero negro más masivo. Esta colisión de dos agujeros negros se había predicho pero nunca observado.

¿Que es LIGO?

Es uno de los detectores mas sensibles del mundo de ondas gravitacionales. Estas ondas “deforman” el espacio-tiempo y los objetos que contiene, y es por eso que el detector debe poder medir insignificantes variaciones de posición, y para colmo en la superficie de la Tierra, con todos los movimientos, vulcanismos, terremotos, etc, que pueden enmascarar los datos.

LIGO es Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Se lo considera la “regla” mas precisa jamas fabricada.

Por el momento tiene dos detectores: los que se encuentran en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington, ESTADOS UNIDOS. En cada observatorio, de 4 km de largo en forma de L, utiliza un láser dividido en dos haces que viajan de ida y vuelta hacia los brazos (tubos de 1,2 metros de diámetro, casi en perfecto vacío).

En los extremos hay espejos, colocados con una precisión extrema. De acuerdo con la teoría de Einstein, la distancia entre los espejos cambiará en una cantidad infinitesimal cuando una onda gravitacional pasa por el detector.

El LIGO es tan preciso, que puede detectar un cambio en las longitudes de los brazos con un error de una milésima el diámetro de un protón (10-19 metros).

En el video puede verse como funciona el detector, por interferencia de la luz.

El evento

La detección fue el 14 de septiembre de 2015 a las 09:51 TU.

Sobre la base de las señales observadas, los científicos de LIGO estiman que los agujeros negros tenian 29 y 36 veces la masa del Sol respectivamente, y sucedió hace 1300 millones de años. El agujero negro final tiene unas 62 masas solares.

Las mediciones tienen una alta confiabilidad estadística (5,1 σ)

ligo20160211a
Arriba, la detección en Hanford (linea tipo serrucho). La predicción es la linea mas suave amarilla. Están superpuestas. En medio, el detector de Livinsgton, la detección (serrucho) y la predicción (linea suave) en azul. Es claro que la observación es mucho mas ruidosa que la predicción, pero la coincidencia es perfecta. Abajo, la superposición de ambos eventos, con las correcciones para adaptar un detector al otro. También hay una coincidencia perfecta, marcando que es un evento real, no local.

Aproximadamente 3 masas solares se convirtieron en ondas gravitacionales en una fracción de segundo, con una potencia pico de alrededor de 50 veces mayor que la de todo el universo visible. Al observar el tiempo de llegada de las señales en el detector en Livingston grabó el evento 7 milisegundos antes de que el detector en Hanford-científicos puede decir que el origen se encuentra en el hemisferio sur.

ligo cielo
Con solo dos detectores, es grande el error de posición. Se sabe que viene del hemisferio sur del cielo, en la zona de las Nubes de Magallanes. En violeta, la zona donde la probabilidad de que la fuente se encuentre allí es del 90%. En amarillo del 10%. Cuando se instalen mas detectores, se va a poder definir con muchísima mayor precisión el lugar en el cielo de la fuente.

De acuerdo con la relatividad general, un par de agujeros negros que orbitan uno alrededor del otro, pierden energía a través de la emisión de ondas gravitacionales, haciendo que la órbita se haga cada vez mas pequeña, durante miles de millones de años, y luego mucho más rápidamente en los últimos minutos.

En el video, como se forman las ondas gravitacionales al colisionar los agujeros negros. Nota que arriba a la izquierda hay una escala de tiempos en segundos. Son eventos muy rápidos y violentos.

Durante la última fracción de segundo, los dos agujeros negros chocan entre sí a casi la mitad de la velocidad de la luz y forman un único agujero negro más masivo. Esta energía final se emite como una ráfaga fuerte de ondas gravitacionales. Esto es lo que LIGO ha observado.

LIGO ya había trabajado entre 2001 y 2010 sin éxito. El descubrimiento fue posible gracias a las capacidades mejoradas de LIGO Avanzado -a principios de 2015-, una importante actualización que aumenta la sensibilidad de los instrumentos en comparación con la primera generación, lo que le permite un gran aumento en el volumen del universo investigado y el descubrimiento de las ondas gravitacionales durante su primera carrera de observación.

“Esta detección es el comienzo de una nueva era: el campo de la astronomía de ondas gravitacionales es ya una realidad”, dice Gabriela González, portavoz de la LSC. Es profesora de física y astronomía en la Universidad del Estado de Louisiana.

Un poco de historia

La existencia de las ondas gravitacionales se demostró por primera vez en la década de 1970 y 80 por Joseph Taylor, Jr., y sus colegas. Descubrieron en 1974 un sistema binario formado por un pulsar en órbita alrededor de una estrella de neutrones.

En 1982 descubrieron que la órbita del púlsar se estaba reduciendo lentamente con el tiempo debido a la liberación de energía en forma de ondas gravitacionales. Por descubrir el pulsar y demostrar que el decaimiento coincidía con la predicción de disipación de energía mediante las ondas gravitacionales, Hulse y Taylor fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1993.

Esta observación de la década del 70 y 80, fue una manera indirecta de ver las ondas.

En cambio, el descubrimiento de LIGO es la primera observación directa de ondas gravitacionales, hechos por la medición de las pequeñas perturbaciones que las “olas” hacen que a espacio y el tiempo a medida que pasan a través de la Tierra.

Puedes ver el paper completo gratis en ingles en el enlace.