Ondas gravitacionales: una taxonomía Understand article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales, pero ¿de dónde vienen y qué tipos diferentes podría haber en el cosmos?

La escala de ondas gravitacionales es a la vez diminuta e inmensa. Mientras que las ondulaciones que causan son tan ligeras que casi no pueden detectarse, la longitud de onda puede ser muy amplia: mucho, mucho más amplia que las conocidas ondas electromagnéticas – desde ondas de radio hasta rayos X – que usan los astrónomos para visualizar el espacio. 

¿Qué son las ondas gravitacionales? Estas ondulaciones en el espacio-tiempo se producen cuando una masa se acelera. Sin embargo, es poco probable que se detecten fuentes de ondas gravitacionales en la Tierra, porque los objetos en este planeta no tienen la suficiente masa o no se aceleran lo suficientemente rápido. En cambio, debemos buscar señales que provienen de fuentes en el cosmos, donde las masas y los movimientos ocurren a escalas astronómicas. 

Hace poco, se logró finalmente la detección de ondas gravitacionales producidas por objetos celestes masivos; estas pueden extra tool for observing events and objects in space – an exciting prospect for today’s astronomers. utilizarse potencialmente como una herramienta adicional para observar sucesos y objetos en el espacio: una perspectiva alentadora para los astrónomos de hoy. 

Ilustración que muestra al satélite LISA, parte de un sistema futuro de detección de ondas gravitacionales que se ubicará en el espacio.
AEI/MM/exozet

El espectro de ondas gravitacionales

Al igual que las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz. Y al igual que el espectro electromagnético, el espectro de ondas gravitacionales es extremadamente amplio y sus diferentes partes se clasifican según su frecuencia. En general, las frecuencias de las ondas gravitacionales son mucho más bajas que las del espectro electromagnético (a lo sumo unos pocos miles de hercios, en comparación con los 1016 a 1019 Hz de los rayos X). Por ello, tienen mayores longitudes de onda, que abarcan desde cientos de kilómetros hasta potencialmente todo el universo.

El rango de frecuencia de la señal de una onda gravitacional brinda información sobre su fuente: cuanto más baja la frecuencia, más grande es la masa. También le indica a los científicos qué tipo de detector usar para buscar la fuente, ya que el tamaño del detector debe ser comparable a la longitud de onda de la señal. La Figura 1 muestra el rango completo de ondas gravitacionales, con las fuentes que las producen y los aparatos que se necesitan para detectarlas a las diferentes frecuencias.

Los grandes interferómetros terrestres como LIGO (por sus siglas en inglés de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) y Virgo (descripto en Arnaud, 2017) están diseñados para detectar ondas gravitacionales en el rango de mayor frecuencia, desde unas decenas de hercios hasta unos pocos kilohercios. Además, el lanzamiento del proyecto LISA w1 (por sus siglas en inglés de Laser Interferometer Space Antenna), un grupo de interferómetros espaciales, está planificado para dentro de aproximadamente una década. Con criterios de diseño parecidos a los detectores terrestres, LISA trabajará con ondas gravitacionales en un rango de menor frecuencia (entre 1 y 10-5 Hz). Las ondas gravitacionales de baja frecuencia podrían afectar la precisa regularidad de los destellos de ondas electromagnéticas que emiten los púlsares, lo que brinda otro medio de detección, esta vez en el rango de 10-6 a 10-9 Hz. Por último, las ondas gravitacionales emitidas en el universo temprano podrían haber dejado una huella débil en la radiación de fondo cósmico de microondas. Se busca esta señal, como lo hace por ejemplo el satélite Planck, en el rango de frecuencia de ondas gravitacionales entre 10-15 y 10-17 Hz. Las longitudes de onda relacionadas con estas frecuencias extremadamente bajas estarían en la escala del universo mismo. 

Figura 1: El espectro de ondas gravitacionales. El eje horizontal muestra la frecuencia (y el período de onda, que es el inverso de la frecuencia) en una escala logarítmica y los colores representan las longitudes de onda correspondientes (rojo: más larga, azul: más corta). Se muestran los detectores que ya existen o están planificados y las fuentes conocidas y que se esperan que produzcan ondas gravitacionales detectables. Haga clic sobre la imagen para ampliarla.(Adaptado de: https://lisa.nasa.gov) 

Fuentes de ondas gravitacionales 

Entre la diversidad de fuentes de ondas gravitacionales existentes, veamos brevemente tres fuentes que producen ondas 

Las supernovas 

Cuando una estrella gigante roja agota su combustible nuclear, se rompe el equilibrio entre las reacciones nucleares (que expanden la materia hacia afuera) y la gravedad (que empuja la materia hacia el centro). La estrella colapsa hasta que alcanza la densidad de la materia nuclear (alrededor de 1017 kg/m3), lo que desencadena una onda de choque que provoca la expulsión de las capas externas de la estrella. Este fenómeno, llamado supernova de tipo II, produce un fuerte estallido de neutrinos y la emisión de luz que puede durar días. También se produce un estallido de ondas gravitacionales, pero solo podrían detectarse si este suceso ocurriera dentro de nuestra propia galaxia o muy cerca de ella. Dichos sucesos son muy poco comunes (unos pocos por siglo), pero ocurren: la supernova 1987A se observó hace 30 años. 

Los sistemas binarios compactos 

Los objetos compactos son estrellas que concentran su masa en un volumen excepcionalmente pequeño. Los más compactos son los agujeros negros: uno con la masa del Sol podría tener un diámetro de solo 3 km. Otro tipo de objeto compacto son las estrellas de neutrones: la gravedad las encoge tanto que los protones y los electrones se fusionan y forman neutrones.

Cuando dos objetos compactos giran uno alrededor del otro, la relatividad general predice una pérdida gradual de energía en el sistema a través de la emisión de ondas gravitacionales. Por ello, su movimiento se acelera y las estrellas se aproximan. Aunque esta fase de espiral creciente puede durar cientos de millones de años, hay un pico fuerte de emisión de ondas gravitacionales en los últimos momentos anteriores a la fusión de los dos objetos compactos. Las ondas gravitacionales de un suceso de este tipo se lograron detectar por primera vez en 2015. 

Ilustración que muestra (debajo) las trazas de la primera detección de ondas gravitacionales realizada por los dos observatorios LIGO. Estas trazas están alineadas con la evolución de la fusión de los agujeros negros que produjeron las ondas en tres fases (imágenes superiores): 1: movimiento espiral creciente, 2: fusión y 3: vibración en disminución, cuando termina la emisión de ondas gravitacionales.
LIGO, NSF, AuroreSimonnet (Sonoma State U.) 

Los púlsares 

Los púlsares son estrellas de neutrones magnetizadas que giran. Como si fueran faros cósmicos, emiten un haz de ondas electromagnéticas a una frecuencia del doble de la rotación del púlsar, que puede detectarse con los radiotelescopios si la Tierra está dentro de su alcance. En teoría, los púlsares también deberían emitir ondas gravitacionales en forma continua, pero la fuerza de estas ondas dependería de la forma de las estrellas y de qué tan esféricas sean, ya que se predice que los objetos que tienen una simetría perfecta alrededor de su eje (como las esferas) no emitan ondas gravitacionales. Al igual que otras estrellas, los púlsares pueden ser esferas casi perfectas, y el hecho de que aún no se hayan detectado ondas gravitacionales de un púlsar indica que las irregularidades en la superficie de estas estrellas deben ser de un tamaño limitado. 

La detección de ondas gravitacionales: 

Detectar ondas gravitacionales es una tarea intensa: implica encontrar una vibración muy diminuta que indique el paso de una onda gravitacional, oculta por completo en un «ruido» de fondo (las vibraciones de todas las demás fuentes). En la Tierra, la red mundial de detectores interferométricos incluyen en la actualidad a cuatro instrumentos: dos detectores LIGO en los Estados Unidos, Virgo en Italia y GEO-600 en Alemania. Un quinto detector (KAGRA, en Japón) entrará en funcionamiento al final de esta década y hay planes para construir un tercer detector LIGO en India durante la próxima década. 

Ningún detector por sí solo puede afirmar que ha detectado una onda gravitacional: la onda debe registrarse en por lo menos otros dos detectores, de lo contrario la cantidad de falsas alarmas (detecciones falsas debido al ruido) sería simplemente demasiada. Por ello, todos los datos registrados dentro de la red se analizan en conjunto y se busca señales que coincidan en el tiempo y parezcan similares en cada instrumento. 

Figura 2: Las primeras tres detecciones de ondas gravitacionales realizadas el 14 de septiembre de 2015, el 26 de diciembre de 2015 y el 4 de enero de 2017 (de arriba hacia abajo), todas producidas por la fusión de agujeros negros. Como muestran estas trazas, cada señal aumenta en forma gradual y decae rápidamente una vez que se produce la fusión. El eje horizontal muestra el momento en que el detector observó la señal por primera vez, mientras que los tres ejes verticales muestran las pequeñas distorsiones fraccionarias registradas.
La colaboración científica LIGO y la 
 

Las detecciones de ondas gravitacionales en 2015 (véase Kwon, 2017) y en 2017 w2,que se produjeron por la fusión de dos agujeros negros (véase la Figura 2) han abierto una nueva puerta al universo y han inaugurado una nueva era para la astronomía. En la actualidad, las señales de ondas gravitacionales sirven de complemento a los instrumentos que los científicos utilizan para observar el cosmos, como los telescopios que usan diferentes partes del espectro electromagnético para observar el cielo. La información se intercambia de dos maneras: cuando se detecta la señal de una potencial onda gravitacional, se envía un alerta a los telescopios para que observen rápidamente la región que se piensa que contiene la fuente de la señal (si de hecho existe). Y los telescopios pueden pedir que los detectores de onda gravitacional busquen la contrapartida de un suceso que ellos han detectado. 

Por ello, detectar ondas electromagnéticas, partículas y ondas gravitacionales que provienen de la misma fuente es ahora una posibilidad real. Y cuantos más datos obtengamos de una fuente, más profunda será nuestra comprensión de la misma. 

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References

Web References

  • w1 – Puede aprender más sobre el  proyecto LISA. .
  • w2 – Si desea saber más sobre la tercera detección de ondas gravitacionales, lea el resumen en el ​ sitio web de LIGO .

Resources

  • Para aprender más sobre la reciente detección de la tercera onda gravitacional, consulte: 
    • Symmetry, una revista de Fermilab/SLAC, ha publicado varios artículos sobre ondas gravitacionales. Puede realizar una búsqueda en  www.symmetrymagazine.org, o leer: 
    • Jepsen K (2017)« At LIGO, three’s a trend». ​ Symmetry magazine, 6 de enero. 
  • Puede leer sobre cómo los astrónomos usan diferentes ondas electromagnéticas para estudiar el cosmos en la serie «Lo que el ojo no ve» de Science in School. Por ejemplo: ​

Author(s)

Nicolas Arnaud es un físico que trabaja en el Centro Nacional para la Investigación Científica (CNRS, por las siglas en francés de Centre Nationalde la Recherche Scientifique) en Francia. Luego de terminar su doctorado sobre el experimento Virgo durante la fase de construcción, se dedicó a la física de partículas durante una década antes de volver al proyecto Virgo en 2014. Desde septiembre de 2016, ha trabajado en el Observatorio Gravitacional Europeo en Italia, en el sitio donde se ubica detector Virgo. Ha participado en varias actividades de divulgación y educación desde 2003 y coordina algunas de estas actividades a nivel nacional. 


Review

Luego de la fascinante tercera detección de ondas gravitacionales, este artículo brinda un excelente panorama sobre qué son dichas ondas, cómo se generan en el espacio y cómo funcionan los detectores. Es un buen artículo de actualidad, publicado en un momento muy oportuno. 

Se podría incluir preguntas de comprensión como las siguientes: 

  • ¿Qué son las ondas gravitacionales? 
  • Por qué es tan difícil detectar ondas gravitacionales? 
  • ¿Cómo funcionan los detectores de ondas gravitacionales? 
  • Describe el espectro gravitacional y explica en qué se diferencia del espectro electromagnético.
  • ¿Qué objetos espaciales desencadenan ondas gravitacionales? Describe estos objetos. 
  • Para la detección de ondas gravitacionales, deben usarse un mínimo de dos detectores. ¿Por qué? 
  • Hay varios detectores en la Tierra. ¿Cómo se llaman y dónde están ubicados? 

Gerd Vogt, docente de física, Escuela de Educación Superior de Economía y Medio Ambiente, Austria.




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