Ondas gravitacionales, una nueva forma de hacer astronomía

Alicia Magdalena Sintes Olives, profesora de Física Teórica de la Universidad de las Islas Baleares y miembro activo de LIGO / UCM

Las vibraciones del propio espacio tiempo suponen una revolución científica sobre el Universo

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La Facultad de Matemáticas de la UCM ha acogido una nueva conferencia de la Real Sociedad Española de Física dentro del ciclo Hablemos de Física, con el apoyo de la Fundación Ramón Areces. La ponente ha sido Alicia Magdalena Sintes Olives, profesora de Física Teórica de la Universidad de las Islas Baleares y miembro activo de LIGO, la instalación que ha detectado directamente, y por primera vez, las ondas gravitacionales. Ella es una de las cientos de firmantes del artículo histórico de Physical Review Letters.

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UCM / Alicia Sintes comenzó su conferencia viajando hasta 1915, cuando “se publicó la obra maestra de Einstein, la teoría general de la relatividad”, que supuso una nueva concepción sobre las leyes generales de la gravitación y estableció la íntima relación que existe entre la geometría del espacio tiempo y la densidad de la materia.

Según Sintes, la curvatura en el espacio tiempo no reacciona de manera instantánea al movimiento de la materia y ese ligerísimo desfase es lo que provoca las ondas gravitacionales

Un año después, el mismo Einstein publicó un artículo sobre las ondas gravitacionales, “aunque no creía en los agujeros negros y pensaba que esas ondas eran tan débiles que jamás serían detectadas”. Según Sintes, la curvatura en el espacio tiempo no reacciona de manera instantánea al movimiento de la materia y ese ligerísimo desfase es lo que provoca las ondas gravitacionales.

La principal peculiaridad de las ondas gravitacionales es que “son vibraciones no en el espacio tiempo, como las ondas electromagnéticas, sino vibraciones del propio espacio tiempo”, por lo que la observación de estas ondas aportará una información astronómica “que quizás será una revolución en los conceptos actuales que tenemos sobre el universo”.

Las fuentes

La formación de las ondas gravitacionales depende tanto de la masa como de lo compactos que sean los objetos que las provocan. La observación directa se puede hacer en un amplio rango que va desde 10-9 hasta 1011 Hz. En ese rango hay diferentes objetos que emiten estas ondas y por debajo de esa frecuencia sólo es posible la observación indirecta.

[blocktext align=”left”]Los datos obtenidos responderán a cuestiones de la astrofísica, la física fundamental y la cosmología

De acuerdo con la conferenciante, las posibles fuentes de ondas gravitacionales son el colapso de agujeros negros, los sistemas binarios de estrellas de neutrones, las explosiones e incluso un fondo estocástico, es decir caótico, como superposición de muchas señales. Cada una de esas fuentes emite diferentes señales y los fenómenos más violentos producen ondas de más intensidad.

Las detectadas en septiembre fueron provocadas por dos agujeros negros, uno de 36 masas solares y otro de 29, que colapsaron en un único agujero negro de 62 masas solares, en una galaxia a 1.300 millones de años luz de la Tierra. Esta detección, por tanto, no sólo fue la primera directa que se ha hecho de ondas gravitacionales, sino también la primera observación directa de agujeros negros.

Como ya intuía Einstein, detectarlas es todo un reto y extraer la información de ellas también lo es, pero los datos obtenidos responderán a cuestiones de la astrofísica, la física fundamental y la cosmología. Entre estas preguntas están cómo se forman los agujeros negros, cómo se comporta la materia en condiciones extremas, cuán abundantes son los agujeros negros de muchas masas estelares, cuál es el mecanismo que genera explosiones de rayos gamma, qué sucede cuándo colapsa una estrella masiva, cómo se forman y evolucionan los sistemas de estrellas binarias, qué propiedades tienen las ondas gravitatorias…

LIGO

De acuerdo con Sintes, las ondas gravitacionales comprimen el espacio en una dirección y lo estiran en la dirección perpendicular. La distorsión de esas distancias se hace en un rango muy pequeño, por debajo de la milésima parte del tamaño de un protón y para poder detectar esa modificación hace falta tecnología como la de LIGO, que utiliza la interferometría láser.

Las ondas gravitacionales comprimen el espacio en una dirección y lo estiran en la dirección perpendicular

Según explica la propia página de LIGO, en su interferómetro, en forma de L, para medir la longitud relativa de los brazos, un haz de luz láser es separado en dos en la intersección de cada uno de los dos brazos. Una mitad de la luz del láser se transmite a un brazo mientras que la otra mitad se desvía al segundo brazo. Cerca del divisor de rayos y al final de cada brazo hay instalados espejos suspendidos como péndulos. La luz láser dentro de cada brazo rebota una y otra vez en esos espejos y después regresa a la intersección, donde interfiere con la luz del otro brazo. Si las longitudes de los brazos no han cambiado, entonces las ondas de luz, al combinarse, deberían restarse completamente y no se observará nada de luz en la salida del detector.  Por el contrario, si una onda gravitacional estirara un brazo y comprimiera el otro ligeramente los dos haces de luz no se restarían completamente el uno del otro, produciendo patrones de luz en la salida del detector. Y eso es exactamente lo que sucedió el pasado 15 de septiembre de 2015.

LIGO cuenta con dos observatorios de 4 kilómetros de longitud cada uno de ellos, separados unos 3.000 kilómetros dentro de Estados Unidos. La gestión de LIGO la llevan dos empresas, pero la colaboración científica a la que pertenece Sintes cuenta con más de 1.000 miembros de 15 países diferentes, entre ellos España. LIGO además no trabaja solo, y es muy importante unificar información de otros muchos observatorios. Según la investigadora de la Universidad de las Islas Baleares, en la actualidad hay más de 150 instrumentos que cubren un amplio espectro de diferentes señales y que comparten la información.

Para los próximos años se espera la mejora de la sensibilidad de LIGO y también la aparición de nuevo instrumental como el Telescopio Einstein y eLISA, más allá de 2030, con los que se podrá hacer astronomía de ondas gravitacionales de alta precisión.

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