Ondas Gravitatorias

Ondas Gravitatorias.

Actualización del 11 de febrero 2016: 

Hace unas horas se anunció que por primera vez se detectaron ondas gravitacionales.

El equipo de LIGO (Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales), junto con decenas de colaboradores alrededor del mundo, anunció que han detectado ondas gravitacionales generadas por la colisión de dos agujeros negros de aproximadamente 36 y 29 masas solares. Dicho evento tomó lugar hace más de 1,300 millones de años, por lo que las señales recién llegaron a la Tierra hace unos meses. Este descubrimiento marca el comienzo de una nueva era en la astrofísica, donde ahora también podremos explorar y estudiar el universo mediante telescopios especializados en detectar ondas gravitacionales.

Uno de los mayores retos de la física moderna consiste en la detección de las llamadas ondas gravitatorias (o gravitacionales, como prefieran) que supondría una muy importante validación de la Teoría general de la relatividad. Pero vayamos por partes, primeramente veamos que son o que creemos que son estas furtivas entidades.

Ondas Gravitatorias.

En primer lugar definamos que es el "espacio-tiempo". La definición estándar nos dice que es la entidad geométrica en la cual se desarrollan todos los eventos físicos del Universo, de acuerdo con la teoría de la relatividad y otras teorías físicas. En otras palabras estamos hablando del vacio o espacio que contiene a todo lo que existe. Su nombre (espacio-tiempo) nace de la necesidad de considerar unificadamente la ubicación geométrica en el tiempo y el espacio, ya que la diferencia entre componentes espaciales y temporales es relativa según el estado de movimiento del observador. Bueno, para no rompernos la cabeza con tantas cuestiones físicas imaginemos que el espacio-tiempo es como una tela bidimensional donde ocurren las cosas.

Curvatura en el espacio-tiempo provocada por la tierra.

Un cuerpo masivo como un planeta o estrella crea una curvatura en dicha tela, siendo la curvatura mucho mayor al aumentar la masa del cuerpo creando pozos gravitatorios intensos. Una nave espacial que este dentro de la influencia de estos pozos deberá generar una determinada cantidad de energía para salir del mismo. En el caso de un agujero negro el pozo gravitatorio es sus cercanías es tan intenso que ni la propia luz puede escapar, pero hablaremos de ellos en una próxima entrada.

Agujero negro.

Entonces una onda gravitacional es una pequeña fluctuación en la curvatura de la tela del espacio-tiempo, la cual se propaga en forma de ola, viajando hacia a fuera a partir de un objeto o un sistema de objetos en movimiento. Fueron predichas por Einstein, y su estudio podría contestar el gran interrogante sobre cuál es la naturaleza de la gravedad. La radiación gravitacional se genera cuando dichas ondas son emitidas por ciertos objetos o por sistemas de objetos que gravitan entre sí.

Son muy débiles. Las más fuertes que se podría esperar observar en la Tierra serían generadas por acontecimientos muy distantes y antiguos, como la colisión de dos estrellas de neutrones o la colisión de dos agujeros negros súper masivos, en los cuales una gran cantidad de energía se movió violentamente. Muchas teoría sobre el universo podrían ser confirmadas o rechazadas dependiendo de la naturaleza de estas ondas.

Los sistemas binarios supermasivos son principales candidatos a producir ondas gravitatorias.

Aunque estas ondas no ha sido aún detectadas directamente, hay evidencia indirecta significativa de su existencia. En una gran cantidad de estudios, astrofísicos de todo el mundo han podido observar, en grupos de estrellas súper masivas, fenómenos que sólo pueden ser explicados con la existencia de dicha teoría. Una de las mayores evidencias se presentaron cuando los físicos Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr. descubrieron en 1974 el primer púlsar binario (PSR1913+16). Las observaciones durante varios años han confirmado que el período de rotación de ambos objetos aumenta con el tiempo de la manera predicha por la teoría de la relatividad general, perdiendo energía en forma de ondas gravitacionales. Aunque las ondas gravitarorias no fueron detectadas, el comportamiento de estas estrellas binarias corresponde al propuesto si estuvieran emitiendo ondas gravitacionales.

Pulsares binarios.

Si existen estas ondas, su amplitud y efectos detectables deben ser muy débiles, haciendo extremadamente difícil su detección, por lo tanto solo podríamos detectar aquellas producidas por los fenómenos más violentos del universo como pueden ser: una supernova, formación de un agujero negro, choques entre estrellas de neutrones o agujeros negros, y remanentes del Big Bang.

Estrella de Neutrones.

Supernova.

Agujeros negros binarios.

Todo muy bonito pero, ¿cómo podríamos detectarlas? Una onda gravitatoria que pase por un lugar debería hacer variar la distancia entre dos objetos que se encuentre en ese lugar, claro la variación será muy pequeña. Pues bien debemos diseñar experimentos y dispositivos que puedan detectar estas variaciones.

Estrellas binarias en colisión

LIGO es un experimento de detección de ondas gravitacionales. La sigla proviene de Laser Inteferometer Gravitational-Wave Observatory (Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales) consiste de un sistema inteferométrico de dos brazos perpendiculares y en condiciones de vacío con un recorrido óptico de 4 km. 

Instalaciones de LIGO.

Pretende detectar las ondas gravitacionales a través de los minúsculos movimientos que deben producir en los espejos Mediante un láser se miden constantemente las distancias entre los espejos, al pasar una onda gravitatoria esta debería variar.

Instalaciones de LIGO.

Las variaciones que el experimento puede medir son del orden de 10-18 m (un átomo de hidrógeno tiene un tamaño 5x10-11 m). LIGO podría detectar a las ondas gravitatorias, aunque quizás la amplitud sea tan pequeña que ni siquiera este instrumento pueda confirmar su existencia.

Los más pesimistas insisten que solo podrían detectarse dichas ondas desde el espacio y para eso existe el proyecto LISA

LISA

Conocida formalmente como "Laser Interferometer Space Antenna" (LISA) es una misión propuesta para detectar ondas gravitatorias desde el espacio. Este era un proyecto apasionante y digo era porque actualmente ninguna agencia espacial lo esta desarrollando. Originalmente era un proyecto conjunto de la NASA y la ESA pero en 2011 la NASA se retiró del proyecto, luego La agencia espacial europea (ESA) revisó el concepto de la nave, con la expectativa de que pudiera ser desarrollada solo por dicha agencia llamandola ahora "The New Gravitational wave Observatory" (NGO), y fue una de las tres candidatas a ser la próxima gran misión de la ESA, pero perdió ante la Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) misión que estudiaría las lunas heladas de Júpiter. Tal vez sea nuevamente candidata para otra misión en el futuro.

Si alguna vez es lanzada LISA sería una formación de tres satélites separados por 5 millones de kilómetros, formando un interferómetro que mediante láser será capaz de detectar ondas gravitatorias con frecuencias de 0,1-0,0001 Hz. Estas frecuencias son inferiores a las observadas por observatorios terrestres como el anteriormente citado LIGO, lo que permitiría estudiar sistemas de agujeros negros binarios supermasivos. Estaría situada en una órbita solar a 50 millones de km detrás de la Tierra y su inclinación sería de 20º con respecto a la eclíptica. 

Parámetros orbitales de LISA.

Este proyecto es increíblemente interesante, lastima que la NASA tiene cada vez menos dinero para misiones científicas. Pero no está todo perdido, el estudio de las ondas gravitatorias figura como una prioridad en ambas agencias espaciales lo que podría revivir este proyecto, u otro similar, en un un futuro próximo.