Encendiendo el micrófono cósmico Understand article

Traducido por Aníbal Pacheco. Una nueva herramienta permite a los astrónomos 'escuchar' al Universo por primera vez.

Imagen cortesía de Grant /
Flickr y ESA / C Carreau

En la mañana del 14 de Septiembre de 2015, una señal proveniente de dos agujeros negros que habían colisionado hace 1.3 billones de años llegó a la Tierra, alertando a científicos alrededor del mundo. “Nos tomó una buena parte del día para convencernos que no era una falsa alarma”, comenta la Profesora Gabriela González. De hecho, era la primera vez que se detectaba una onda gravitacional y el último avance en la larga historia de la astronomía.

Cuando Galileo introdujo por primera vez el telescopio en los años 1600, los astrónomos obtuvieron la habilidad de ver partes del Universo que eran invisibles a simple vista. Esto llevo a siglos de descubrimientos – a medida que los telescopios avanzaban, exponían nuevos planetas, galaxias e incluso un atisbo del Universo primitivo. En 2015, los científicos obtuvieron otra herramienta invaluable: la capacidad de ‘escuchar’ al cosmos a través de las ondas gravitacionales.

Ondulaciones en el espacio-tiempo

Newton describió a la gravedad como una fuerza. Si consideramos a la gravedad de esta forma, se pueden explicar la mayoría de los fenómenos que ocurren aquí en la Tierra. Por ejemplo, la fuerza de gravedad actuando sobre una manzana hace que ésta caiga de un árbol sobre una inocente persona sentada bajo él. Sin embargo, para entender a la gravedad en una escala cósmica, necesitamos recurrir a Einstein, quien describió la gravedad como un doblamiento del espacio-tiempo mismo.

Algunos físicos describen este proceso utilizando una bola de bolos y una sábana. Imagina el espacio-tiempo como una sábana. Una bola de bolos colocada al centro de la sábana, curva la tela alrededor de ésta. Mientras más pesado sea el objeto, más se curva la tela. Al mover la bola a lo largo de la tela, produce ondulaciones, algo parecido a un bote viajando sobre el agua.
 

Una simulación de la unión de dos agujeros negros y la radiación gravitacional emitida resultante
Imagen cortesía de NASA / C Henze
 

“La curvatura es lo que hace a la Tierra orbitar al Sol – el Sol es una bola de bolos en una tela y es ese doblamiento en la tela lo que hace a la Tierra girar alrededor”, explica González, quien es la vocera del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Laser (LIGO, por sus siglas en inglés).

Todo lo que tiene masa – planetas, estrellas y personas – tira de la tela del espacio-tiempo y produce ondas gravitacionales a medida que se mueve a través del espacio. Estas ondas pasan a través de nosotros todo el tiempo, pero son muy débiles para ser detectadas.

Para encontrar estas elusivas señales, algunos físicos construyeron LIGO, observatorios gemelos en Louisiana y Washington, Estados Unidos. En cada detector en forma de L, un haz láser es dividido y enviado a dos brazos de 4 km. Los haces son reflejados en espejos al final de cada trayecto y viajan de regreso para unirse de nuevo. Una onda gravitacional pasajera altera ligeramente las longitudes relativas de los brazos, cambiando así la trayectoria del haz láser y creando un cambio que los físicos pueden detectar.

A diferencia de los telescopios, que se apuntan hacia partes muy específicas del cielo, los detectores como LIGO escanean un área mucho mayor del Universo y escuchan fuentes en todas direcciones. “Los detectores de ondas gravitacionales son como micrófonos”, menciona Laura Nuttall, investigadora post-doctoral en la Universidad de Siracusa, Estados Unidos.

Primeros descubrimientos

En aquella mañana de Septiembre de 2015, cuando la primer onda gravitacional pasó a través de los dos detectores, LIGO se estaba preparando para un estudio observacional. Los investigadores estaban aún ejecutando pruebas y diagnósticos durante el día – que es por lo cual necesitaron realizar un gran número de comprobaciones y análisis para asegurarse que la señal fuera real.

Meses después, una vez que los investigadores hubieron comprobado meticulosamente que la información no tuviera errores o ruido (debido a rayos o sismos), la colaboración LIGO anunció al mundo que habían logrado la meta anticipada tempranamente: casi 100 años después de que Einsten predijera por primera vez la existencia de las ondas gravitacionales, científicos las habían detectado.

Unos meses después de que llegará la primera señal, LIGO detectó otra colisión de agujeros negros. “Encontrar una segunda, prueba que existen distintas fuentes que producirán ondas gravitacionales detectables”, menciona Nutall. “De hecho, ahora somos un observatorio”.
 

Vista aérea del detector de ondas gravitacionales LIGO en Livingston, Louisiana
Imagen cortesía de NASA / C Henze

Micrófonos cósmicos

Muchos han entendido esta detección como el inicio de la era de la astronomía de ondas gravitacionales. Los científicos esperan ver cientos, tal vez miles, de estos agujeros negros binarios en los años por venir. Los detectores de ondas gravitacionales también permitirán a los astrónomos a mirar más de cerca otros fenómenos astronómicos, como estrellas de neutrones, supernovas e incluso el Big Bang.

Un siguiente paso muy importante es el de detectar homólogos ópticos de ondas gravitacionales -tales como luz de la materia alrededor o ráfagas de rayos gamma. Para hacerlo, los astrónomos requieren apuntar sus telescopios al área del cielo de donde vienen las ondas gravitacionales para encontrar cualquier luz detectable.

Actualmente, esta hazaña es como encontrar una aguja en un pajar. Debido a que el campo de visión de los detectores de ondas gravitacionales es mucho, mucho mayor que los telescopios, es extremadamente difícil conectar ambos. “Conectar las ondas gravitacionales con la luz por primera vez será un descubrimiento tan importante que definitivamente vale la pena”, dice Edo Berger, profesor de astronomía en la Universidad de Harvard.

LIGO es solo uno de muchos observatorios de ondas gravitacionales. Otros observatorios en tierra, somo Virgo en Italia, KAGRA en Japón y el futuro LIGO India, tiene sensibilidades similares a LIGO. Existen también otros enfoques que los científicos están usando -y que planean usar en el futuro- para detectar ondas gravitacionales en frecuencias completamente distintas.
 

Impresión artística de ondas gravitacionales generadas por estrellas de neutrones binarias
Imagen cortesía de Penn State ; fuente de la imagen: Flickr
 

La evolucionada antena espacial de interferómetro láser (eLISA, por sus siglas en inglés), por ejemplo, es un detector de ondas gravitacionales que los físicos planean construir en el espacio. Una vez completado, eLISA constará de tres  naves espaciales separadas entre sí por un millon de kilómetros, haciéndola más sensible a ondas gravitacionales a más bajas frecuencias, donde los científicos esperan detectar agujeros negros super masivos.

La sincronización de arreglos pulsares es un método de detección completamente distinto. Los pulsares son cronometradores naturales, que emiten regularmente haces de radiación electromagnética. Los astrónomos miden cuidadosamente el tiempo de llegada de los pulsos para encontrar diferencias, porque cuando una onda gravitacional pasa, el espacio-tiempo se deforma, cambiando la distancia entre nosotros y el pulsar, ocasionando que los pulsos lleguen ligermanete antes o después. Este método es sensible a frecuencias incluso más bajas que las que eLISA puede detectar.

Estos y muchos otros observatorios revelarán una nueva visión del Universo, ayudando a los científicos a estudiar fenómenos tales como uniones de agujeros negros, a probar teorías de la gravedad y posiblemente incluso a descubrir algo completamente inesperado, dice Daniel Holz, un profesor de física y astronomía de la Universidad de Chicago. “Usualmente en ciencia estás empujando un poco los límites, pero en este caso, estamos abriendo una totalmente nueva frontera.”

Agradecimientos

Este artículo está reproducido con el amable permiso de Symmetry magazinew1, en el cual se encuentra originalmente publicado.

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Web References

  • w1 – Symmetry magazine es una publicación gratuita online que trata de la física de partículas. Es publicada en conjunto por el Fermi National Accelerator Laboratory y el SLAC National Accelerator Laboratory, en Estados Unidos.

Author(s)

Diana es una reportera científica independiente residente en Berlin, Alemania. Su trabajo ha aparecido tanto en numerosas publicaciones impresas y online, incluyendo  Scientific American, Quartz y New Scientist.


Review

Grandes noticias para todos nosotros – después de años de buscar ondas gravitacionales, científicos las han detectado finalmente. Este artículo es una buena lectura para maestros de física y de ciencia en general. Puede ser utilizado como una plataforma para discusión en clase, enfocándose principalmente en los problemas asociados a la detección de ondas gravitacionales, pero más importante en sus aplicaciones en la vida diaria.


Paul Xuereb, Malta




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