Ondas gravitatorias para ‘dummies’

Desde el jueves pasado seguro que por vuestros oídos han pasado las palabras “onda” y “gravitatoria”. Esto es porque el instrumento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) consiguió detectar de manera directa estas ondas gravitatorias en sus dos dispositivos. La fuente que las generó sucedió durante la fusión de dos agujeros negros en un evento que tuvo lugar a 1.300 millones de años luz de distancia, siendo el pasado 14 de septiembre de 2015 cuando llegaron a la Tierra las consecuencias de esa fusión en forma de onda gravitatoria. Tras los pertinentes análisis para corroborar la certeza del resultado, el pasado jueves ofrecieron una rueda de prensa y en Astrométrico lo pudísteis leer a los pocos minutos.

Pero… ¿Qué son realmente las ondas gravitatorias? Desde aquí voy a explicarlas para todos los públicos, para que todos podáis hablar de estas ondas en la hora del café, de la comida o tomando unas cervezas, y que podáis explicárselas a vuestra gente.

¿Cómo explicar lo que detectó LIGO?

Me gusta la definición que ofrece Daniel Marín en su blog Eureka: “el 14 de septiembre de 2015 los dos interferómetros del experimento detectaron la sutil deformación del espacio-tiempo causada por el paso de ondas gravitacionales”. Y eso es básicamente una onda gravitatoria: una deformación del espacio-tiempo que se desplaza a lo largo y ancho del espacio-tiempo.

Para imaginarnos este evento de fusión de agujeros negros debemos imaginarnos un espacio-tiempo como si fuera una tela elástica donde está contenido todo el universo. Y en una región muy determinada de esta tela están los dos agujeros negros orbitándose mútuamente emitiendo ondas gravitatorias, como cualquier cuerpo en órbita. La extraña pareja poco a poco iba cediendo energía, y por lo tanto acercándose el uno al otro en una espiral con un final fácil de intuir. Conforme estos agujeros negros se acercaban, las ondas gravitatorias que emitían aumentaban tanto en frecuencia como en intensidad. En un instante, los agujeros se tocaron y se fusionarion en uno adquiriendo una forma de balón de rugby y girando a una velocidad infernal emitiendo las ondas gravitatorias más intensas del evento, hasta que se transformó en una esfera quedando el agujero en ‘silencio’ de ondas gravitatorias.

Si estuviéramos lo suficientemente alejados del sistema de agujeros negros para que no nos afecte la deformación espaciotemporal y hubiésemos puesto un cronómetro en el momento de la fusión y lo hubiésemos parado cuando se estabilizó el sistema convirtiéndose en una esfera, el cronómetro apenas marcaría una décima de segundo.

LIGOdetection_reduced

Esquema gráfico de cómo sucedió la fusión de agujeros negros | Créditos: Nature/Abbott et al.

¿Qué deforma el espacio-tiempo?

El espacio-tiempo se ve deformado por la energía, lo que ocurre es que si la energía liberada no es lo suficientemente grande, no somos capaces de detectar las ondas. Es como si golpeáramos la superficie de un lago con una pluma: se producen ondas, pero a una distancia de 1 Km no somos capaces de detectar la onda producida. Si en lugar de con una pluma, golpeamos la superficie del lago dejando caer un coche de 1.000 Kg desde una altura de 10 metros, a 1 Km de distancia ya seríamos capaces de detectar ondas. Así pues, para que nos lleguen ondas necesitamos un evento muy energético, como la fusión de un agujero negro de 36 veces la masa del Sol con otro de 29 veces la masa del Sol.

Al fusionarse generaron otro agujero negro de 62 masas solares, pero si echamos cuentas vemos que hay un defecto de masa: 36+29=65. Nos faltan 3 masas solares ¿Dónde están ese ‘6’ seguido de 30 ceros de kilogramos que nos faltan? Esa masa se ha perdido en forma de energía y Einstein la cuantificó: E = mc2 , donde m es la masa de las 3 masas solares, c es la velocidad de la luz, que tiene un valor de 99792458 m/s y E es la energía liberada, en Julios. Esta energía no se puede comparar con nada cotidiano. Simplemente, tomad la idea de que es uno de los eventos más energéticos del universo. Y esta energía sí que es capaz de generar ondas que podemos detectar.

Y que las podamos detectar no quiere decir que sea fácil, ya la amplitud de la onda gravitatoria que nos llegó fue del orden del tamaño de un núcleo atómico, pero LIGO es capaz de detectarla. De hecho, la precisión de LIGO es tal que sería capaz de detectar tamaños del grosor de un pelo situado a 10 años luz de distancia.

ligo20160211_Tn

Simulación de la fusión de los dos agujeros negros | Créditos: The SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Project.

“El trabajo previo realizado en relatividad numérica, campo en el que España es una potencia mundial, ha sido fundamental para este descubrimiento”, destaca Francis Villatoro en su blog La Ciencia de la Mula Francis, y es un dato para estar orgulloso de los científicos de nuestro país. “Se han calculado tablas con las ondas gravitacionales esperadas para la fusión de agujeros negros de diferentes masas, y de agujeros negros y estrellas de neutrones. Gracias a dicho trabajo ha sido posible interpretar de forma segura y eficiente la señal observada”, destaca Francis.

La señal GW150914

La señal detectada, llamada GW150914, se detectó con un retraso de 6,9 milisegundos en los dos anillos, que están separados 3.000 Km, demostrando tal y como decía Einstein hace 100 años que estas ondas se desplazan a la velocidad de la luz. Pero esto no es todo, “también se ha confirmado de manera directa la existencia de agujeros negros”, es algo que destaca Daniel Marín en su blog y, la verdad, no había caído en eso, y pocos medios de comunicación lo han dicho. Pero el hecho de que por fin se haya demostrado la existencia de agujeros negros de manera directa es también una grandísima noticia. Otra cosa es que no hay lugar a duda sobre el origen de la señal. De hecho, la señal se ajusta tanto a los modelos teóricos que los científicos al recibirla pensaron que se trataba de una ‘inyección’, esto es, una señal falsa para comprobar que tanto el personal como los equipos están alerta. Y eso, se debe en gran medida al trabajo matemático que hay detrás.

Y así es como se crea una nueva ciencia: la astronomía gravitacional. ¿Lo oléis? Huele a Nobel…

Referencias:
Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein’s Prediction.
El nacimiento de la astronomía de ondas gravitacionales.
LIGO detecta ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros.
Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein’s Prediction.

1 Comentario

Deja tu comentario

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*