Inminente
detección de ondas gravitacionales
Por Mario
Toboso
Doctor
en Ciencias Físicas Universidad de Salamanca.
Artículo
referido por: Katherine Vieira.
Será
uno de los descubrimientos más esperados de la física moderna que
revolucionará la astronomía
El
detector de ondas gravitacionales GEO
600, un proyecto científico de Alemania
y el Reino Unido, acaba de entrar en una fase de observación y medida
continuas que durará 18 meses. Su misión es detectar de manera directa
lo que nunca antes ha sido detectado, las elusivas ondas
gravitacionales, un fenómeno todavía inobservado predicho por la teoría
general de la relatividad de Einstein. Las ondas gravitacionales podrían
conducir a una nueva era en el desarrollo de la astrofísica, ya que
permitirían estudiar aspectos del Universo para los que la astronomía
al uso, basada en el empleo de la luz visible y de otras frecuencias
electromagnéticas, ofrece sólo una información parcial.
Rayos cósmicos (PPARC).
En
el año 1916, Einstein presentó su teoría
general de la relatividad concebida como un modelo para
explicar el fenómeno de la gravitación de un modo más preciso que la
teoría de Newton, entonces vigente. En la
teoría de Einstein, los conceptos newtonianos de espacio y tiempo
absolutos son reemplazados por una magnitud única: el espacio-tiempo, y
la fuerza gravitacional se explica como el efecto de la distorsión o
curvatura local del espacio-tiempo causada por cuerpos muy masivos.
Una
de las predicciones de la teoría de la gravitación de Einstein es que
toda variación brusca de la distribución de masa provocará
variaciones en la configuración local del espacio-tiempo que se
propagarán en forma de ondas gravitacionales. Tales ondas, arrugas en
la curvatura del espacio-tiempo deben emitirlas masas en movimiento
acelerado, de manera análoga a como las ondas electromagnéticas son
emitidas por cargas eléctricas sometidas a una aceleración.
La
producción de ondas gravitacionales se asemeja, pues, a la producción
de ondas electromagnéticas. Un objeto cargado eléctricamente y en
movimiento radia ondas electromagnéticas con amplitud proporcional a su
carga eléctrica y a su aceleración. La carga gravitatoria de un objeto
es su masa; y así, la amplitud de una onda gravitacional será
proporcional a la masa del objeto y a su aceleración.
La
teoría
general de la relatividad de Einstein
sugiere que la Tierra se halla inmersa en un baño continuo de energía
procedente de la interacción gravitatoria de estrellas y objetos
celestes distantes. De acuerdo con esta teoría, la energía liberada
por una gran perturbación cósmica, como pueda ser la explosión de una
estrella, se propaga en forma de ondas gravitacionales que, en su
avance, distorsionan la morfología de cualquier región del
espacio-tiempo que atraviesen. Ante tales perturbaciones el
espacio-tiempo, literalmente, tiembla.
Fuentes estelares de ondas gravitacionales.
Las
estrellas y otros objetos astronómicos deben emitir, pues, ondas
gravitacionales. Un sistema binario de estrellas (dos estrellas que
giran en torno a su centro común de masas) producirá de manera
continua ondas gravitacionales. Una pequeña fracción de las estrellas
binarias conocidas está formada por estrellas de neutrones en orbitas
muy próximas. Una estrella de neutrones es un objeto muy denso
constituido casi únicamente por estas partículas, con una masa similar
a la del Sol y un radio de sólo unos 10 km (el radio del Sol es de
696.000 km). En ocasiones la estrella de neutrones es visible en forma
de púlsar: una fuente giratoria que emite ondas de radio de manera análoga
a cómo un faro costero emite su luz.
El
nacimiento de una estrella de neutrones implica también perturbaciones
notables del espacio-tiempo que deben producir brotes intensos de ondas
gravitacionales. Cuando una estrella de gran tamaño agota su
combustible nuclear y muere en medio de una gigantesca explosión
llamada supernova, su núcleo se contrae bruscamente y forma una
estrella de neutrones. Hasta un 0,1% de la masa de la estrella de
neutrones se convertirá en ondas gravitacionales.
Supernovas.
Las
ondas gravitacionales procedentes de una supernova pueden ofrecer una
nueva ventana de observación privilegiada al interior del colapso
estelar, pues la radiación electromagnética producida en la
profundidad del núcleo en colapso queda aprisionada en las capas
exteriores de la estrella, ocultando así los sucesos más violentos.
Las ondas gravitacionales, cuya interacción con la materia es tan débil
que pueden escapar sin atenuación a través de dichas capas, podrían
revelar las características de tales sucesos en el núcleo en colapso.
La
detección de las ondas gravitacionales procedentes de una supernova
podría tener, además, otras consecuencias importantes. Los
investigadores están muy interesados en medir el tiempo transcurrido
desde la detección de las ondas gravitacionales provenientes del núcleo
en colapso de una supernova hasta la llegada de las ondas luminosas
procedentes de las capas exteriores de la estrella. Si las ondas
gravitacionales y luminosas llegasen simultáneamente nos hallaríamos
ante una confirmación directa de la predicción relativista de que las
ondas gravitacionales se propagan a la misma velocidad que la luz
(300.000 km/seg). Es ésta, no obstante, una cuestión abierta que
suscita la controversia sobre la velocidad de propagación de las ondas
gravitacionales.
Agujeros negros.
La
formación de un agujero negro, o el choque de dos de ellos, puede
generar también una producción intensa de ondas gravitacionales. Los
agujeros negros son objetos de densidad increíble que se forman cuando
una estrella en extinción, de excesiva masa para sostenerse a sí
misma, colapsa bajo su propio peso, generando un campo de gravedad tan
intenso que ni siquiera la luz puede escapar a su atracción. Algunos
sistemas de estrellas binarias fuentes de rayos X pueden implicar la
presencia de agujeros negros. Los observatorios de ondas gravitacionales
podrían confirmar esta presencia, dado que la radiación gravitatoria
emitida por un agujero negro tiene una identidad característica.
Fuentes cosmológicas.
Otra
posible fuente de ondas gravitacionales es
(Big
Bang), o explosión primordial que, hace unos 15.000 millones de
años,
según la cosmología moderna, dio origen al Universo.
La
información más valiosa acerca del universo primitivo proviene
actualmente de la observación del fondo cósmico de radiación de
microondas, que inunda el Cosmos como resto de radiación térmica de
Las
fluctuaciones cuánticas en los primeros instantes de vida del
Universo
(tiempo de Planck) podrían haber dejado una impronta gravitacional
detectable hoy en día.
Una detección problemática.
Las
ondas gravitacionales producidas en cualquiera de los supuestos
anteriores dejarían trazas muy débiles al pasar por
Los
primeros detectores se debieron al trabajo pionero de Joseph Weber, de la Universidad
de Maryland en College Park, a comienzos de la década de 1960.
Un
problema inherente a la detección de las ondas gravitacionales es,
precisamente, que los dispositivos poseen una sensibilidad tan grande
que
cualquier otro tipo de vibración, y no sólo una onda gravitacional,
puede hacer saltar los detectores. La amplia variedad de “ruido”
indeseado que enmascara la detección de ondas gravitacionales incluye
perturbaciones sísmicas y geológicas, el tráfico de vehículos y la
actividad humana en las inmediaciones de los observatorios, vibraciones
térmicas de los dispositivos de detección y perturbaciones por moléculas
residuales que penetran en los haces de rayos láser cuidadosamente
calibrados.
En
tales condiciones adversas, para extraer los datos en bruto y poder
distinguir los patrones relevantes del simple ruido ambiental se emplean
potentes ordenadores y la comunicación con otros observatorios de ondas
gravitacionales: LIGO, proyecto que reúne tres observatorios en EEUU:
TAMA 300 (en Tokio), VIRGO (en Pisa) y GEO 600 (en Hannover). Buena
parte del ruido que entorpece las mediciones se evitaría instalando
observatorios de ondas gravitacionales en el espacio, una solución que
se inscribe dentro del proyecto LISA, de
El observatorio GEO 600.
La
enorme dificultad que presenta la detección de ondas gravitacionales
sorprende si tenemos en cuenta que todos los días observamos con
nuestros propios ojos los efectos de la gravedad estática: la caída de
los objetos, el movimiento orbital de los planetas en torno al Sol, etc.
Sin embargo, debemos tener en cuenta que ninguno de estos fenómenos
habituales guarda relación con cuerpos que puedan generar ondas
gravitacionales apreciables. Las primeras señales válidas que se
detecten provendrán de objetos astronómicos lejanos, de masa mayor que
la del Sol y que se muevan a velocidades próximas a la de la luz.
“Si
durante los próximos meses se produce una supernova en nuestra
vecindad, la probabilidad de detectar y medir las ondas gravitacionales
resultantes será elevada”, afirma el profesor Karsten
Danzmann, jefe del centro internacional para la física
gravitacional, de la sociedad Max
Planck y la Universidad de Hannover, en un comunicado difundido por
el Particle Physics and Astronomy Research Council (PPARC).
Los
datos recogidos en este proyecto europeo por el observatorio GEO 600 en
Hannover se toman en comunicación con los dos observatorios del
proyecto LIGO en EEUU. El observatorio GEO 600 es actualmente el interferómetro
Michelson de láser más moderno del mundo. Sus haces de
rayos láser, que se hallan inmersos en dos tubos de vacío subterráneos
de 600 metros de longitud, poseen una estabilidad incomparable. El GEO
600 incorpora, además, un sistema altamente sofisticado de atenuación
de vibraciones y un innovador sistema de amplificación de señal. Toda
la tecnología desarrollada en Hannover será incorporada en la próxima
generación de los observatorios LIGO.
Desde
su puesta en funcionamiento en 2002,
la sensibilidad del GEO
600
ha mejorado de manera continua. “En aquéllos días podíamos únicamente
explorar una pequeña fracción de nuestra propia galaxia,
Una revolución a las puertas.
La
observación y la medición directa de ondas gravitacionales es uno de
los desafíos más importantes de la física actual. Permitirá, entre
otras cosas, desvelar la fracción hasta ahora inobservada del Universo
constituida por la denominada materia oscura una fracción nada desdeñable
del 96%. Además del acceso a la materia oscura, hará posible la
observación de agujeros negros y aportará nuevos detalles al estudio
del eco de
Hasta
la década de 1930, las ondas
electromagnéticas de frecuencia óptica (luz visible) constituían la
única ventana posible para observar el Cosmos. La exploración adquirió
un impulso espectacular con la llegada de la radioastronomía; la
apertura de las ventanas infrarroja, de rayos X y ultravioleta trajo
consigo nuevos avances, al permitir el acceso a una parte de fenómenos
del Universo que hasta entonces resultaban invisibles. Cada forma de
radiación electromagnética ofrece una perspectiva nueva del Universo.
Las
ondas gravitacionales son de una clase totalmente diferente y ofrecerán
una imagen completamente nueva del Cosmos. Los observatorios de ondas
gravitacionales revolucionarán el panorama actual de la astronomía y
de nuestro conocimiento del Universo.
Viernes
07 Julio 2006
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