Detectando ondas gravitacionales: una verificación más de la teoría de Einstein | Enterarse

Detectando ondas gravitacionales: una verificación más de la teoría de Einstein

2019/10/30 08:00

Por: Enterarse

Equipo de investigación

LIGO / Caltech

En el año 2015, el proyecto LIGO detectó por primera vez en la historia evidencia de la existencia de ondas gravitacionales. Este es uno de los descubrimientos más importantes de nuestro siglo ya que corrobora, una vez más, la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Pero ¿qué es el LIGO? ¿Qué son las ondas gravitacionales y por qué su existencia corrobora esta teoría? A continuación, te lo explicamos.

¿Qué es el LIGO?

El Observatorio de ondas gravitatorias por interferometría láser o el LIGO, por sus siglas en inglés, es el observatorio de ondas gravitacionales más grande y preciso del mundo. Este observatorio, además, no es como cualquier otro. Primero, porque no es solo uno, sino dos. El LIGO está compuesto por dos interferómetros (más adelante explicaremos qué es esto).

(Los dos interferómetros del LIGO, ubicados en Livingston (Luisiana) y Hanford (Washington), ambos en Estados Unidos. Foto: LIGO / Caltech)

Su misión, como su nombre lo dice, es detectar y estudiar las ondas gravitacionales de algunos de los procesos más violentos y energéticos del universo, como las supernovas o la fusión de estrellas de neutrones o agujeros negros. Sin embargo, el LIGO es ciego.

A diferencia de los radiotelescopios y los telescopios ópticos, este no está diseñado para detectar energía electromagnética (la luz visible es un tipo de energía electromagnética). Por el contrario, todos los componentes del LIGO están aislados del mundo externo y protegidos. Esto se debe a que las ondas gravitacionales no son fenómenos electromagnéticos.

¿Qué es una onda gravitacional?

Las ondas gravitacionales son ondas que viajan a la velocidad de la luz través del espacio-tiempo. ¿Qué significa esto? Matthew O’Dowd, astrofísico y profesor asociado del Departamento de Física y Astronomía del Lehman College de la City University of New York, nos explica cómo se producen estas ondas en un video.

Como él afirma, la teoría general de la relatividad de Einstein sostiene que la gravedad no es una fuerza, como se pensaba hasta antes de la existencia de esta teoría, sino que, en realidad, la masa de los objetos deforma el tejido del espacio-tiempo, lo cual produce los fenómenos gravitacionales comunes, como el hecho de que cuando saltamos caigamos nuevamente hacia la Tierra. Asimismo, genera otros fenómenos como la dilatación del tiempo, que es explicada en nuestro informe de los agujeros negros.

La imagen de abajo es una representación de cómo la masa de los objetos distorsiona el tejido del espacio-tiempo.

(Imagen: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab)

Ahora, como explica O’Dowd, las ondas gravitacionales se producen al acelerar objetos macizos a través del espacio de una manera específica. Una esfera rotando, como nuestro planeta, no produce estas ondas. Sin embargo, dos objetos orbitándose mutuamente sí las producen. En el video de abajo puedes ver cómo estas ondas se producen cuando dos estrellas de neutrones se orbitan mutuamente hasta fusionarse. También puedes ver una representación de este fenómeno en la imagen de nuestra portada.

Ahora, según O’Dowd, estas ondas se propagan como fluctuaciones exprimiendo y estirando el espacio. Si estas ondas atravesaran tu cuerpo, te harían más alto y más delgado, luego más bajo y ancho, y después nuevamente más alto y delgado y así sucesivamente hasta que las ondas terminen de pasar. Pero ¿cuánto serías estirado?

O’Dowd explica que incluso los fenómenos gravitacionales más extremos, como colisiones entre agujeros negros o supernovas, cambiarían nuestra altura en menos de una millonésima parte del ancho de un protón. En otras palabras, sería un cambio extremadamente pequeño, lo cual hace muy difícil su medición.

¿Cómo sabemos de la existencia de estas ondas entonces? En realidad, hasta hace poco no teníamos indicios de su existencia, debido a que era muy difícil detectarlas. Sin embargo, en el 2015 el LIGO encontró por primera vez evidencia directa de su existencia. ¿Cómo lo hicieron?

La interferencia y la detección de ondas gravitacionales

Para detectar estas variaciones tan pequeñas del espacio, los científicos utilizaron dos interferómetros distintos: uno en Livingston y otro en Hanford, dos locaciones geográficas en extremos de los Estados Unidos de América. Ambos interferómetros constituyen el LIGO. ¿Por qué dos? Porque las mediciones deben ser tan precisas que es necesario tener dos observatorios distintos, para evitar cualquier tipo de error y poder confirmar que efectivamente hemos detectado una onda gravitacional.

Pero ¿qué es un interferómetro? Para entender qué es un interferómetro primero debemos entender qué es la interferencia. La interferencia es un fenómeno que ocurre cuando dos o más ondas se interceptan. ¿Qué significa esto? Veamos un ejemplo.

Imaginemos que estamos sentados al frente de un estanque o laguna. Imaginemos ahora que agarramos una pequeña piedra y la lanzamos a la laguna. Al caer la piedra, veremos un fenómeno conocido: ondas circulares aparecerán en la superficie del agua y viajarán por esta desde el punto donde cayó la piedra hacia afuera.

Ahora imaginemos que una vez que el agua se ha calmado agarramos dos piedras y las tiramos a la laguna. Imaginemos que ambas caen en lugares separados por una distancia pequeña. Veremos entonces que se formarán dos zonas con ondas circulares. Mientras se vayan expandiendo, ambas ondas chocarán y se mezclarán interfiriendo una con la otra. En aquellas zonas donde ambas ondas se mezclan podemos decir que se ha generado un patrón de interferencia. En la imagen de abajo, puedes ver este fenómeno en la superficie del agua, o también puedes ver este video.

(Foto: Wikimedia Commons)

Cuando ocurre una interferencia entre dos o más ondas, el resultado puede ser una onda más grande, más pequeña, o incluso las ondas se pueden destruir unas a otras.

Según el portal del LIGO, los principios de la interferencia son fáciles de entender. Cuando dos o más ondas interactúan, uno puede calcular el patrón resultante, al sumar la altura de las ondas que interactúan unas con otras. Veamos la siguiente imagen para entenderlo mejor.

La imagen muestra dos casos de interferencia simples: la interferencia constructiva total y la interferencia destructiva total. La interferencia constructiva total ocurre cuando los picos (la parte más alta de la onda) de dos o más ondas, así como sus valles (la parte más baja de la onda) se encuentran de manera perfecta. Cuando se mezclan, la onda resultante es más grande: su tamaño es la suma total de su altura y sus partes más profundas.

Por otro lado, la interferencia destructiva total se da cuando los picos de una onda se encuentran con los valles de otra de manera perfecta (es decir, no pico con pico, sino pico con valle, como se muestra en la parte derecha de la imagen). Al sumarla, el resultado será que se cancelarán; en otras palabras, que se destruirán. Justamente, esto es lo que trata de hacer el LIGO para medir las ondas gravitacionales. Es importante recalcar que en la naturaleza usualmente los valles y los picos de las ondas no concuerdan de manera perfecta, por lo que la interferencia resultante usualmente es parcialmente constructiva o parcialmente destructiva.

¿Cómo funciona un interferómetro?

Los interferómetros aprovechan este fenómeno de la interferencia, pero con luz. Esto es así porque, como explica el LIGO, la luz se comporta justamente como ondas de agua. Cuando dos rayos láser distintos se juntan, generan también un patrón de interferencia que depende de cómo estén alineadas las ondas de luz cuando se combinen.

De la misma manera que el agua, cuando los picos de la onda de un rayo calzan perfectamente con los valles de otro rayo, se producirá una interferencia total destructiva. Es decir, la onda se destruirá y no habrá luz. Este fenómeno de interferencia total destructiva es justamente lo que usa el LIGO para detectar ondas gravitacionales. Veamos un esquema del observatorio para entenderlo mejor.

Como se puede ver en la imagen de arriba, el LIGO consta de las siguientes partes: un láser, un cortador de rayos, una serie de espejos y un detector de luz (fotodetector). ¿Cómo funciona?

Si bien construir el LIGO ha sido una obra de ingeniería asombrosa, los principios de su funcionamiento son fáciles de entender. Primero, un láser dispara un haz de luz. Este rayo es separado en dos, tal como se muestra en la imagen, y cada rayo resultante viaja a través de brazos de almacenamientos por varios kilómetros. Eventualmente, cada rayo choca con un espejo al extremo de los brazos y rebota, volviendo al punto inicial en el que fueron cortados.

Ahora, al llegar nuevamente al punto de la bifurcación, las ondas de luz llegan de tal forma que se genera una interferencia destructiva total. Es decir, los picos de una de las ondas luz calzan, perfectamente, con los valles de la otra. El LIGO está diseñado para que esto suceda. De esta manera, al llegar al punto de bifurcación, el fotodetector (detector de luz) no detectará luz, pues esta se ha destruido.

Sin embargo, si una onda gravitacional atraviesa la Tierra todo cambia. Como mencionamos, las ondas gravitacionales causan que el espacio se estire en una dirección y se comprima en otra. Al pasar por la Tierra, esto ocasiona que uno de los brazos del interferómetro se vuelva más largo, mientras que el otro se acorte. Al tener distintos tamaños, cada rayo de luz recorrerá una distancia distinta, por lo que, al volver a encontrarse, ya no calzarán de manera perfecta para generar una interferencia destructiva total.

Como resultado, el fotodetector detectará un patrón de luz parpadeante. En otras palabras, dará una señal de que se ha detectado una interferencia destructiva parcial. A continuación, puedes ver este video que explica cómo funcionan los interferómetros del LIGO.

¿Qué ha descubierto el LIGO?

El 14 de setiembre del 2015, el LIGO captó ondas gravitacionales generadas por el choque de dos agujeros negros a casi 1.3 mil millones años luz de distancia. Este es uno de los descubrimientos más importantes de los últimos años. ¿Por qué?

Como O’Dowd explica, la teoría de la relatividad general hace ciertas predicciones acerca de la gravedad. Por ejemplo, el hecho de que el tiempo se haga más lento cerca a los campos gravitacionales o el hecho de que podamos ver una estrella que se encuentra detrás del Sol en otra posición, como se muestra en la imagen de abajo.

Hasta hace poco, todas estas predicciones habían sido directamente testeadas y verificadas menos una: la existencia de ondas gravitacionales. Si bien la teoría de Einstein predecía que ciertos fenómenos, como el choque de dos agujeros negros, generarían estas ondas, nunca habíamos tenido la oportunidad de corroborar su existencia.

O’Dowd afirma que este es uno de los descubrimientos más importantes de nuestro siglo. ¿Por qué? Porque si la teoría de Einstein es acertada, entonces inevitablemente tendrían que existir las ondas gravitacionales. En otras palabras, la existencia de las ondas gravitacionales es una consecuencia necesaria que se desprende de su teoría.

Si las señales detectadas por el LIGO hubieran sido distintas o no hubieran sido observadas, explica, entonces nos encontraríamos en grandes problemas. Esto querría decir que la teoría de Einstein está incompleta o que incluso necesitamos una nueva teoría. Sin embargo, las señales de interferencia que detectó el LIGO parecen concordar con lo predicho por la teoría.

De esta manera, las últimas predicciones hechas por Albert Einstein han sido finalmente verificadas.

Resumen

- El LIGO es un observatorio de ondas gravitacionales compuesto por dos interferómetros.

- Los interferómetros son instrumentos diseñados para detectar patrones de interferencia usando rayos láser.

- La interferencia es un fenómeno que ocurre cuando dos o más ondas se mezclan. La onda resultante de esta mezcla puede ser una onda más grande, de menor tamaño, o incluso puede no haber onda resultante.

- El LIGO está diseñado para que dos rayos de luz (los cuales se comportan como ondas) se destruyan mutuamente de forma completa.

- Al pasar una onda gravitacional por la Tierra, esta destrucción no sería total, por lo que un fotodetector puede detectar el patrón de la onda resultante.

- El 2015 el LIGO detectó por primera vez en la historia evidencia de ondas gravitacionales.

- Este descubrimiento es importante porque corrobora la última predicción no verificada de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein.

Por: Enterarse

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