Un sonido del universo transforma la física y la cosmología

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Publicado el 1 de marzo de 2016 en www.elsevier.com

Cuando los científicos del Observatorio de Interferometría láser de Ondas Gravitacionales (LIGO) anunciaron que habían descubierto ondas gravitacionales, las repercusiones para la ciencia fueron inmensas. Las ideas revolucionarias son la esencia del progreso científico y en Elsevier, creemos que la búsqueda de respuesta a grandes enigmas es más fácil cuando los investigadores comprenden y se acercan almundo de la ciencia.  Es por ello que estamos comprometidos a ayudar a los científicos de todas las disciplinas a conectar con otros científicos y a proporcionarles las las herramientas y las investigaciones adecuadas para dar respuesta a todas las preguntas.

La editora de Elsevier y Dra. En Física de Partículas Eleonora Presani, ha elaborado un artículo con motivo de este descubrimiento. Además en Elsevier hemos elaborado una publicación especial en torno a las Ondas gravitacionales, que también se puede ver aquí.

Además, el editor jefe de Annals of Physics habla sobre este decubrimiento en el programa The Late Show, de Stephen Colbert.


El 11 de febrero, los responsables del LIGO anunciaron un resultado sin precedentes: su instrumento había detectado ondas gravitacionales,un breve y débil sonido del universo.

Es la primera vez en la historia en la que los científicos han observado las ondas gravitacionales y los agujeros negros. Las implicaciones para la ciencia son inmensas.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Las ondas gravitacionales existen desde que Albert Einstein desarrollase la Teoría General de la Relatividad en 1915. El científico amplió y generalizó la teoría Newtoniana, describiendo el espacio y el tiempo como coordenadas geométricas. En concreto, explicó cómo el espacio y el tiempo se pueden representar en una superficie curva en la que la curvatura depende de la energía y la aceleración de las masas presentes en dicha superficie. Imaginemos una superficie elástica tensada sobre la que lanzamos un objeto pesado: cuanto más peso apliquemos y a mayor velocidad, mayores “ondas” se crearán en dicha superficie.


Representación gráfica de ondas gravitacionales emitidas por la colisión entre dos agujeros negros. Aunque no son visibles para el ojo humano, estas ondas pueden detectarse por instrumentos como los del LIGO. (Imagen proporcionada por Henze/NASA/LIGO)


¿Cómo se miden las ondas gravitacionales?

El estudio de la gravedad desde un punto de vista tanto teórico como experimental no es nuevo. Por ejemplo, Elsevier ha publicado recientemente una colección de artículos que han contribuido a la comprensión de las ondas gravitacionales.

Asimismo, los esfuerzos para detectar directamente las ondas gravitacionalesno comenzaron hace mucho tiempo: es con la tecnología moderna cuando los científicos han sido capaces de medir estos efectos tan pequeños.

A principios de los años 90, los doctores en física Kip ThorneRonald Drever del Instituto de Tecnología de California y el Dr.  Rainer Weiss del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) iniciaron el experimento LIGO f. Casi al mismo tiempo, al otro lado del océano, Francia e Italia se unieron para construir el detector VIRGO con el mismo objetivo del LIGO. Si bien estos dos detectores son los responsables del último descubrimiento, no son los únicos. El GEO600 en Sarstedt, Alemania y el Detector de ondas gravitacionales de Kamioka (KAGRA) en el Observatorio Kamioka de Japón y manejado por la Universidad de Tokio, también han estado trabajando activamente en la búsqueda de las ondas gravitacionales.


Las ondas gravitacionales en el programa The Late Show de la mano de Stephen Colbert

Para entender realmente la importancia de este descubrimiento, puede verse la intervención del Profesor Brian Greene, co-director del Institute for Strings, Cosmology and Astroparticle Physics y nuevo editor jefe de la revista de Elsevier Annals of Physics en el citado programa de televisiónEn este programa presentado por Stephen Colbert, el Prof. Greene se refiere a ello como “un gran descubrimiento que no solo confirma las ideas de Einstein, sino que también abre una nueva forma de explorar el universo” – a lo que responde Colbert en tono de broma, “Entonces ¿parece más inteligente aún de lo que pensábamos?” Cuando Colbert resumía el legado de Einstein diciendo, “los científicos siguen haciendo sus deberes desde hace más de cien años”, el Prof. Greene añade: “todo lo que he estado haciendo a lo largo de mi carrera ha sido, en cierto sentido,demostrar y desarrollar lo que él fue capaz de ver por primera vez”.

Al igual que las olas del mar, las ondas gravitacionales pueden considerarse como ondas lineales que se propagan a través del espacio. Tiene sentido, por lo tanto, esperar que estos detectores midan la misma onda gravitacional cuando ésta tiene lugar. De hecho, buscando coincidencias entre todos los detectores situados en varios puntos del planeta, la precisión en la medición aumenta.

El principio de detección que emplean estos aparatos es siempre el mismo: miden el patrón de interferencia entre dos rayos láser y comprueban si el patrón está siendo perturbado por una onda gravitacional. Parece fácil, sin embargo es más complicado de lo que parece. Esta señal es muy débil, por lo que es necesario trabajar mucho para asegurarse de que el patrón de interferencia se mantiene muy constante y controlado.


¿Por qué la espera?

Aunque la medición se realizó en septiembre, los investigadores no publicaron sus resultados hasta febrero. Éstos pasaron varios meses comprobando y verificando la medición, analizando el entorno, buscando una posible fuente de error o falso dato. Desafortunadamente, cuando la onda gravitacional cruzó la Tierra el 14 de septiembre de 2015, sólo el LIGO estaba en funcionamiento para realizar la medición. El otro detector lo suficientemente sensible como para hacer esta detección, el VIRGO, no estaba operativo debido a que se estaban haciendo una serie de actualizaciones con el fin de mejorar su sensibilidad (el LIGO acababa de entrar de nuevo en funcionamiento en el mes de febrero como Advanced LIGO). Sin embargo, los instrumentos del AdvancedLIGO están localizados en dos sitios diferentes (en Hanford, Estado de Washington, y en Livingston, Estado de Louisiana). Ambos sitios detectaron la onda gravitacional aproximadamente al mismo tiempo (los 7 milisegundos de diferencia entre las dos mediciones se deben al tiempo que tarda la onda en recorrer esa distancia). Este hecho otorgó la confianza suficiente a los responsables de la investigación para anunciar el descubrimiento; las probabilidades de que la señal fuera debida al rambiente eran solo de una entre más de 3,5 millones.


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La importancia para ciencia

Gracias a esta doble detección, también fue posible calcular el origen de esta onda gravitacional específica, denominada GW150914. La triangulación es el mismo método que se utiliza para medir la posición y la distancia de un barco que se aproxima. Por ejemplo, observando un objeto desde dos puntos conocidos y midiendo el ángulo de observación, es posible obtener las coordenadas del objeto observado de acuerdo con el Teorema de Pitágoras.

Además, la forma y las propiedades de la onda permitieron a los investigadores entender que ésta se había producido como consecuencia de la colisión entre  dos agujeros negros situados a una distancia de 1.300 millones de años luz de la Tierra: uno con un tamaño de aproximadamente 29 masas solares y el otro de aproximadamente 36 masas solares. Estos agujeros negros formados de manera independiente como consecuencia de la muerte de una gigante roja, han estado girando uno alrededor del otro durante toda su vida, a lo largo de millones de años, hasta que en los últimos 20 milisegundos colisionaron, liberando energía en forma de ondas gravitacionales. Aunque no se pudiera ver esa energía en forma de luz o de radiación electromagnética, la energía liberada fue inmensa: en esos 20 milisegundos, el doble agujero negro liberó 50 veces más energía que toda la energía luminosa junta producida por todas las estrellas del universo.


Publicación especial sobre las ondas gravitacionales

El descubrimiento de las ondas gravitacionales ha abierto una nueva era para la física y la cosmología. Los artículos publicados en Elsevier han contribuido al avance de los estudios de las ondas gravitacionales, posicionándolas como una herramienta única para entender los enigmas desde el origen del universo hasta la estructura del espacio-tiempo alrededor de los agujeros negros y otros objetos astrofísicos.

Lea los artículos.


Esta es una de las razones, si no la más importante, por la que este descubrimiento es tan importante. La capacidad para detectar y medir las ondas gravitacionales abre una nueva ventana para la humanidad hacia el universo. Hasta ahora, nos hemos basado principalmente en la radiación electromagnética para entender lo que está pasando en el universo: podemos medir esta radiación en un intervalo muy amplio de longitudes de onda, desde las emisiones de radio o de microondas de baja energía hasta las emisiones de rayos gamma de energía extremadamente alta. Podemos entender los fenómenos del universo a través de sus emisiones nucleares, midiendo las partículas secundarias. Hemos aprendido mucho a través de estos medios y así seguirá siendo.

Pero ahora se puede hacer mucho más. La luz y las partículas producidas por estrellas muy lejanas se pueden detener en su camino hacia nuestros detectores. Éstas pueden encontrar obstáculos, como otras estrellas o galaxias, impidiéndoles llegar hasta nosotros. Además, es muy difícil para nosotros saber con precisión el origen de una luz específica que observamos, ya que puede confundirse con un ambiente generado mediante otras fuentes. .

Por otra parte, las ondas gravitacionales no se detienen por los obstáculos que se encuentran en el camino. Las ondas gravitacionales se generan por acontecimientos muy específicos que tienen lugar en el universo y que implican el movimiento de grandes masas, como los agujeros negros, los núcleos galácticos o gigantes rojas. Estas ondas atraviesan la materia sin alterarse y llegan hasta nosotros con toda la información que necesitamos sobre ellas. Se trata de una nueva manera de ver el universo. se trata de poder escuchar los sonidos cuando antes solo se podían verluces.

Todo esto nos lleva a reconocer la importancia de este descubrimiento desde otro punto de vista. Esto supone la primera observación directa de un agujero negro, por no hablar de una fusión de un doble agujero negro. Por definición, los agujeros negros no dejan escapar la luz de su superficie, por lo que es muy difícil para nosotros detectar su presencia, ya que normalmente nosotros solo somos capaces de observar la luz. Hemos deducido la existencia de agujeros negros gracias a las emisiones de rayos X de objetos que caían dentro de un agujero negro o bien observando los efectos de lente gravitacional de la luz de las estrellas que llegan a nosotros distorsionados por la presencia de un agujero negro. Pero GW150914 es la primera medición directa de un agujero negro.

Se podía prever que era posible la existencia de un doble agujero negro ya que las estrellas binarias son muy comunes en el universo. Se sabeque dos estrellas que orbitan una alrededor de la otra pierden momento angular y eventualmente colisionan entre sí. Sin embargo no es fácil que se den  las condiciones para que existan dos agujeros negros supermasivos que orbitan uno alrededor del otro y se fusionen en un agujero negro aún más grande. Los investigadores no estaban seguros de que esto pudiera suceder dada la edad actual del universo. Por lo tanto, esta observación tiene otro gran valor que añadir a nuestro conocimiento sobre la evolución de las estrellas.

Pero las implicaciones de este descubrimiento van aún más allá. Ahora esperamos poder medir las ondas gravitacionales primigenias, liberadas cuando se originó el universo durante el Big Bang. Esto supone un avance en nuestra comprensión de la física de partículas elementales, limitando mucho la masa del gravitón. Esta observación, de hecho, nos descubre que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, lo que significa que la gravedad se mueve en un intervalo infinito (como el campo electromagnético, y al contrario de lo que sucede con las interacciones nucleares fuertes o débiles).

Por lo tanto, estamos entrando en una nueva era de la física, una era en la que podemos escuchar con más atención lo que el universo está tratando de decirnos.


Colaborador de Elsevier Connect

Antes de que Eleonora Presani (@HEPPublisher) se uniese a Elsevier en 2012, ya desempeñaba su trabajo como física de partículas en el CERN. Como editora, es responsable de 14 revistas especializadas en Física nuclear y Alta energía, entre ellas, Physics Letters B, Nuclear Physics A, Nuclear Physics B, Nuclear Instruments and MethodsPhysics of the Dark Universe. Su papel consiste en organizar y mejorar los procesos editoriales, seleccionar a los redactores y asistir a conferencias internacionales.

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