sábado, 13 de febrero de 2016

Qué buena onda

Hace mucho tiempo, en una galaxia muy, muy lejana, a 1300 millones de años luz en dirección de la constelación del Pez Volador, dos agujeros negros, de 36 y 29 masas solares, en órbita mutua, terminaron cayendo uno sobre el otro formando un nuevo agujero negro, de 62 masas solares. El colosal choque, a la mitad de la velocidad de la luz, produjo un tremendo sacudón en el espacio-tiempo que se llevó hacia afuera, en forma de ondas gravitacionales, las 3 masas solares restantes convertidas en energía en una fracción de segundo, con un pico de potencia equivalente a 50 veces el brillo de todas las estrellas del universo. Todo el evento duró menos de medio segundo.

Mil trescientos millones de años después, el 14 de septiembre de 2015, la onda gravitacional pasó por la Tierra. Y el Observatorio LIGO la detectó. Casi 100 años después de que Einstein, en junio de 1916, predijera que las distorsiones gravitatorias en el espacio-tiempo debían propagarse en forma de ondas a la velocidad de la luz.

De todas las predicciones de la Relatividad General, la existencia de ondas gravitacionales pareció desde el principio demasiado difícil de verificar. Por un lado está la cuestión de que la ecuación de ondas surge como una simplificación de las ecuaciones completas del campo gravitatorio. Por otro lado, los cálculos de su intensidad daban valores tan pequeños que los obstáculos tecnológicos para detectarlas parecían insuperables.

Durante 40 años, de todos modos, un grupo de físicos desarrollaron los instrumentos necesarios. Hace 25 años sus esfuerzos se condensaron en el observatorio LIGO, cuyas primeras dos décadas fueron infructuosas a sabiendas, pero que sirvieron para convertirlo en Advanced LIGO, el observatorio actual. En septiembre de 2015 lo encendieron, todo andaba bien, y antes de que dijeran "¡Ya!" para empezar a medir oficialmente, el universo les regaló una señal nítida: la fusión de los dos agujeros negros que contamos, exactamente tal como los cálculos teóricos predecían. En la conferencia de prensa del jueves, me parece, no hicieron suficiente hincapié en la extraordinaria exactitud del ajuste de la curva teórica:


¿Cómo lo hicieron? En una simpática vuelta de tuerca, el mismo instrumento ha jugado un rol crucial en el comienzo y el final de la centenaria historia de la Relatividad. LIGO es un interferómetro de Michelson. Albert Michelson lo inventó en la década de 1870 para medir la velocidad de la luz, y en un famoso experimento en colaboración con Edward Morley intentaron medir con él la velocidad de la Tierra con respecto al éter que, se conjeturaba, era el medio en el que se propagaba la luz. El resultado negativo de su experimento fue una de las claves para que Einstein propusiera, en 1905, que la velocidad de la luz es siempre la misma, independiente del movimiento de la fuente o del observador. A partir de este postulado formuló la Teoría de la Relatividad Especial. Diez años y mucho rompedero de cabeza después revolucionó la Física con la Relatividad General, de la que ya hemos hablado.

Cien años después otro interferómetro de Michelson, dos mejor dicho, que forman en conjunto el Observatorio LIGO, sirvió para consagrar una vez más la extraordinaria teoría. La precisión de la medición es pasmosa. LIGO tiene dos brazos formando una L, de 4 km de largo (el aparato de Michelson medía un metro). Un láser se propaga incesantemente desde el vértice hasta los extremos, donde hay unos espejos que lo mandan de vuelta. Combinando la luz de los dos brazos se puede medir su longitud, o mejor dicho la diferencia de sus longitudes, que resulta perturbada cuando la distorsión del espacio-tiempo lo atraviesa. ¿Con cuánta precisión se mide esta longitud? No hay manera fácilmente entendible de decirlo: en los cuatro kilómetros del instrumento, es una precisión de un milésimo del tamaño de un protón. Usando una analogía astronómica, es como medir la distancia a Alfa Centauri con la precisión de un cabello humano.

Quiero agregar que una de las principales científicas de este extraordinario instrumento, hoy en día su spokesperson, y que el jueves integró el panel del anuncio, es Gaby González, física argentina del FAMAF de Córdoba. Todos los físicos argentinos estamos muy contentos por ella.

¿Qué ocurrirá ahora? Las ondas gravitacionales se convertirán en una nueva ventana de observación astronómica. LIGO no ha alcanzado todavía su sensibilidad máxima prevista, y existen otros instrumentos similares en construcción o proyectados, en tierra y en el espacio. Un enorme rango de fenómenos astronómicos, hoy en día conjeturados, podrán ser observados directamente: colapsos de agujeros negros como éste, así como de sistemas binarios de estrellas de neutrones y de enanas blancas, detonaciones de núcleos de supernovas, y quién sabe qué más. Cada vez que se ha diseñado un nuevo instrumento para observar una nueva región del espectro electromagnético se descubrieron nuevos fenómenos. Las ondas gravitacionales son directamente todo un nuevo espectro para explorar.


Visiten la galería de imágenes y videos de LIGO, de donde saqué las imágenes: https://www.ligo.caltech.edu/gallery.
La figura de la señal de LIGO es del artículo aparecido el jueves: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, BP Abbott et al. Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016) (gratis).
Mencioné las dudas iniciales, inclusive del propio Einstein, de que las ondas gravitacionales exisitieran. Esa duda desapareció en la década de 1970, cuando se observó el decaimiento de la órbita de un púlsar binario, en completo acuerdo con la radiación gravitacional de la relatividad general. Hulse y Taylor ganaron en 1993 el Premio Nobel de Física por su descubrimiento e interpretación. Hasta hoy, de todos modos, las ondas gravitacionales nunca habían sido observadas directamente, con una "antena", por decirlo análogamente a las electromagnéticas.

Compartir:

29 comentarios:

  1. Genial el artículo! Muchas gracias.
    El ultimo párrafo antes de la línea horizontal, pareciese sugerir que las ondas gravitacionales pertenecen al espectro electromagnético... es así?

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola, Juan Pablo. No, las ondas gravitacionales no son ondas electromagnéticas. El texto no sugiere eso, de ninguna manera. Por eso dice: son todo un NUEVO espectro para explorar. Son un espectro de ondas gravitacionales.

      Eliminar
  2. Con mucha osadía de mi parte, eché un vistazo a lo publicado en Physical Rev. sobre este tremendo avance y no pude evitar notar la enorme cantidad de gente involucrada (son como 4 hojas con una lista importante de nombres e instituciones), desde el comienzo de esta aventura y de la cantidad de apellidos hispano/latinos que había. Después de todo, es el logro de un gran y muy heterogéneo grupo de humanos, de distintas épocas, que con la curiosidad en una mano y las matemáticas en la otra salieron a detectar los terremotos del espacio-tiempo. Ahora a esperar que Lisa y eLisa nos cuentes más detalles desde el espacio.

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. En LIGO participan 106 países, si no recuerdo mal. No creo que todos estén en este paper. Simultáneamente se publicaron varios trabajos más, muchos de ellos sumamente técnicos.

      Eliminar
    2. Pues entonces más de la mitad de los países del mundo tienen gente ivolucrada, de alguna forma, en LIGO, mucho de ellos tán anónimos a nivel público... Lástima que en las noticias se presente ésto como una cosa de uno cuantos gringos locos y no como el empeño del colectivo humano.

      Eliminar
  3. Guillermo, seguro que estas ondas se pueden cuantizar. ¿Qué onda? ¿Se puede hablar de gravitones?

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Bueno, todos los físicos tenemos la esperanza de que se pueda. Por ahora, nadie sabe cómo hacerlo. Es decir, hay muchos que saben, nadie sabe cuál es la manera correcta. Por ahora, los gravitones son conjeturales. A la larga, la Relatividad General deberá ser modificada. Le tenemos más confianza a la Mecánica Cuántica.

      Eliminar
  4. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Gracias ABK. Ésa es una pregunta súper interesante. La luz se propaga en línea "recta" pero en el espacio curvo (se llama geodésica), así que una perturbación localizada que es atravesada por un rayo de luz produce un cambio perceptible en la dirección del rayo. Así funcionan las lentes gravitacionales, el experimento de Eddington durante el eclipse solar de 1919, etc. En este caso, sin embargo, la perturbación se está moviendo a la misma velocidad que a luz, así que no estoy seguro de qué se vería exactamente.

      De todos modos, para la verdadera intensidad de las ondas gravitacionales, no creo que los efectos sobre la luz de las estrellas sean perceptibles. Se necesita la tremenda deformación que produce un objeto muy masivo (si bien también se observa "microlensing") para tener algo medible (hoy en día).

      Por otro lado, es interesante notar que si uno quisiera medir este efecto con una regla no vería nada. La onda no sólo deforma los objetos, sino el propio espacio. Así que por más que el brazo N-S, digamos, del interferómetro se estire, no podríamos medirlo con una hipotética regla súper precisa: la propia regla se estiraría exactamente igual. Ahí está la gracia de usar un interferómetro: en lugar de una regla, se usa la propia luz, y la velocidad de la luz es una constante de la naturaleza. Así que es capaz de percibir el cambio del camino óptico que produce el paso de la onda al atravesar los brazos, y manifestarlo en el patrón de interferencia en el vértice de la L.

      Eliminar
  5. gracias por el articulo!, lo estabamos esperando :-). Como muchos creo, no puedo dejar de imaginarme y preguntarme que pasaría si la amplitud de la onda gravitacional fuese muchísimo mas grande (por ejemplo si estuviésemos mucho mas cerca de su fuente), de modo que sus efectos sean apreciables a "simple vista", sin usar un instrumento de medición taaan preciso...

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Respondido arriba, antes de que eliminaras el comentario anterior...

      Eliminar
    2. Me parece fascinante lo que comentaste del efecto de la "lente en movimiento" que tendría la onda gravitacional... Coincido que preguntarse como se vería el cielo cuando el pulso de onda se aproxima es raro, por lo de la igualdad de velocidades de propagación de la luz y de la onda gravitacional. Es mucho más simple quizá preguntarse que pasa después que la onda paso. Algo así (en una dimension):

      *** <--[pulso de onda gravitacional]-- xxx [nosotros, mirando]

      donde *** son estrellas a las cuales no les llego la onda, y xxx estrellas a las cuales ya les paso. La onda se propaga en la dirección de la flecha. Nosotros, desde la tierra [...], miramos a la izquierda. Suponiendo que es realmente un pulso, la luz de las estrellas *** debería ser desviada por la lente en movimiento, no así las de las xxx (al menos no por esa lente tan particular).

      La pregunta es: no deberíamos percibir un cielo distorsionado y cambiante en el tiempo por el efecto de lente en movimiento?. Porque se puede medir con un interferómetro hecho en la tierra y no mirando la luz de las estrellas *** desviada a distancias gigantescas?. No se verían como estrellas que oscilan por un segundo?.

      Y otra pregunta que me parece fascinante: si hay fuentes de ondas gravitacionales como estos agujeros negros binarios "por todos lados", la imagen del cielo no seria en el fondo algo casi "turbio" y muy dinámico (quizá análogo a lo que ocurre por la atmósfera) debido a este "mar gravitacional"?. Esto me parece un poco diferente a lo de Eddington, porque aqui la lente esta "desprendida" de la masa...

      (en la parte del comentario eliminado, intentaba hacer estas mismas preguntas, pero me arrepentí, ya era mucho...).

      Eliminar
    3. ABK: sí, deberíamos. Muy pronto lo haremos. No hay que perder de vista el hecho de que la distorsión es PE-QUE-ÑÍ-SI-MA. No esperes ver el cielo como si estuvieras buceando y mirando para arriba.

      Eliminar
  6. gracias, me queda claro de tu explicación de que el interferómetro con luz es el instrumento ideal.... pero, si la onda fuera realmente gigantezca, ¿no deberíamos sentir al menos una aceleración cuando nos pasa por encima?. Digo, ¿no sería equivalente a una acción gravitatoria de 0.5s de duración?

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Tal vez sería probablemente como un mareo, por el cambio en la dirección de la aceleración de la gravedad. Pero la verdad, no estoy seguro. Tendría que ser gigantesca, ojo, billones de billones de veces mayor que lo que en realidad es.

      Eliminar
  7. Hola estoy tratando de seguir el curso de la nota pero me pierdo ya que no soy científico ni mucho menos podrías esplayarte un poco mas de que se trata la distorsión espacio tiempo? Y supongamos que supongamos que lo que yo me llamo dices pasar un poco más cerca no a tantos años en que nos afectaría o de qué manera nos afectaría y no me refiero solo planeta tierra toda la galaxia eso sería un choque colosal supongo

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Una de las principales conclusiones de la Relatividad es que el espacio-tiempo es una "cosa", no sólo un "marco" donde ocurren las cosas. Y tiene propiedades similares a muchas cosas: Es elástico, puede deformarse, y una perturbación puede viajar a través de él. Esas perturbaciones son las onds gravitacionales. Igual que una perturbación electromagnética viaja en forma de onda electromagnética, o un perturbación en la superficie de una laguna viaja como onda de superficie.

      Las deformaciones y perturbaciones del espacio-tiempo son producidas por los objetos masivos y sus movimientos. Nos afectan: es lo que llamamos gravedad. Las ondas gravitacionales, de todos modos, son demasiado débiles como para que podamos "sentirlas" sin estos aparatos super sensibles.

      ¡Gracias por escribir, Carlos!

      Eliminar
  8. Hola Guillermo. Más allá de la detección, me intriga que se conozca la causa de la perturbación; es decir, cómo se sabe que hubo una fusión de dos agujeros negros de masas conocidas, etc, etc?.

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Excelente pregunta, Matín. Cada uno de los eventos que producen perturbaciones significativas del espacio-tiempo puede calcularse matemáticamente. En realidad, hasta ahora, ¡era lo único que podía hacerse! Y se puede calcular lo que LIGO debería detectar al observarlos. Entonces, lo que se hace es revisar automáticamente la señal medida por el interferómetro, comparándola con lo que se espera observar. Es un trabajo monumental desde el punto de vista del análisis de datos, porque la señal es tan débil que está ahogada en un mar de ruido. Pero se la detecta, y se puede cuantificar la probabilidad de que sea una pura casualidad o un evento verdadero.

      En los gráficos que pegué arriba, las curvas calculadas son las curvas suaves que dicen "numerical relativity". Esas curvas están caracterizadas por parámetros que corresponden a las masas de los objetos y otros detalles, que se infieren así de la observación.

      Además de esta señal tan clara, discutida en este trabajo en PRL, hay otras candidatas en los 4 meses de observación, menos claras, tal vez correspondientes a objetos más lejanos. Cuando el Observatorio esté al 100% habrá muchas más.

      Eliminar
    2. Si entendí, el último párrafo de la nota se refiere a que cada vez que LIGO registre o detecte una onda gravitacional, se comparará ese registro con los esperables de distintos modelos matemáticos. Cuando surja coincidencia con alguno, los parámetros del modelo permitirán inferir cuál fue el evento. ¿Algo así?

      Eliminar
    3. Exacto. Pero no "cada vez que detecte una onda", sino todo el tiempo, porque no saben de antemano cuándo van a detectar. De hecho, la detección ES la detección de la coincidencia de una de las señales posibles con la señal medida permanentemente. En los dos LIGOs y, en breve, en los otros detectores en otras partes del mundo.

      Eliminar
  9. Hola Guillermo, una consulta, si aceleramos con unos cohetes un ascensor en el espacio vacio podemos simular lo que se llama gravedad a un pasajero dentro de el, la energia para hacer esto se obtiene del combustible de los cohetes... ahora un cuerpo masivo con que energia puede doblar el espacio tiempo a su alrededor haciendo que las cosas caigan en el ?? de donde obtiene esa fuerza este cuerpo ? (estoy pensando si no vale la misma pregunta para un iman que atrae un metal, pero ahi no se porque como que me puedo imaginar la energia magnetica que proviene de los atomos del imàn)... Saludos

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Para decirlo de manera no técnica, la obtiene de su propia masa, que es equivalente a la energía. Lo que curva el espacio es la densidad de energía en cada punto del espacio.

      El electromagnetismo, hasta donde sabemos, funciona de manera distinta. Eintein trató de unificar la descripción de ambos y no lo logró. Hoy estamos casi casi ahí de ligrarlo, pero todavía nadie sabe exactamente cómo hacerlo.

      Eliminar
    2. Hola Guillermo, si no recurris a matematica mas compleja que analisis 2 puedo llegar a entender conceptos mas tecnicos je!
      Me habia olvidado la famosa ecuacion E = MC² ...un cuerpo masivo es energia condensada... ...por ejemplo si tiro una bola de metal en un elastico este se curva para abajo ya que la bola se apoya en el y su peso lo curva, usamos la misma gravedas para describirla... pero en el espacio una masa curva el espacio-tiempo abajo arriba y a los costados.. no ? ya me meto en terreno filosofico es como que la misma energia crea y moldea el espacio tiempo... ¿...como nacio la energia...? je ! ya se peleo con todo esto (1905-1915) Alberto je !! energia masa y velocidad de la luz... que equipo je !! Saludos

      Eliminar
    3. No es el lugar para una explicación técnica, pero para decirlo en pocas palabras: el tensor métrico es proporcional al tensor energía-momento. La analogía con la membrana elástica es simpática, pero como toda analogía no hay que tomarla literalmente. En particular: el espacio tiempo no se curva "en otra dimensión", como el elástico. Hay libros de Relatividad General sin tensores, a nivel Análisis II.

      Eliminar
    4. Exploring Black Holes: Introduction to General Relativity, de Taylor y Wheeler. De los mismos autores: Spacetime Physics, sobre Relatividad Especial. Los dos son libros básicos, que usan sólo algebra y análisis elemental. Lo cual no quiere decir que sean fáciles: son profundos e inspiradores.

      Eliminar
  10. Gracias Guillermo !! Voy a tratar de leerlos y tambien algo de tensores si el espacio-tiempo no se curva en otra dimension... eso de los tensores me debe explicar hacia donde se curva... jeje

    Saludos !!

    ResponderEliminar
  11. ... perdon esos libros estan en castellano ?...

    ResponderEliminar
  12. hola guillermo te mando este mail no se si lo estoy mandando por el lugar correcto pero sepa disculpar, recien me mude a bariloche y soy un aficionado a la astronomia, se q hay una asociacion pero no se como asociarme (si es q admiten socios) desde ya espero su respuesta muchas gracias mi mail es lw9ess@hotmail.com

    ResponderEliminar

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...