La Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, una de las más revolucionarias de la física, hoy en día nos sigue sorprendiendo. Una de sus predicciones fue la existencia de las ondas gravitacionales, pero hasta ahora no se las había podido observar en forma directa. Por mucho tiempo, los científicos creyeron que esto sería imposible, debido a que su presencia es prácticamente imperceptible. Hubo muchos intentos, pero todos fracasaron…  

  Hasta que el 14 de septiembre de 2015, casi 100 años después de la teoría de Einstein, un experimento llamado Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, en español Observatorio de Interferometría Láser de ondas Gravitacionales) detectó por primera vez la presencia de una onda gravitacional. Este fue un descubrimiento de trascendencia histórica, ya que, además de confirmar la predicción de Einstein, constituye el primer ejemplo de lo que podría ser una nueva forma de observar el universo: la astronomía de ondas gravitacionales.

  Estas ondas son oscilaciones que distorsionan la geometría del espacio-tiempo. Es decir, ondulaciones que contraen y dilatan longitudes e intervalos de tiempo cuando pasan (para visualizar el efecto, pensemos en la onda que se genera en el agua cuando tiramos una piedrita). Para que estas perturbaciones sean significativas, los objetos deben ser muy masivos y compactos, y estar sometidos a fuertes aceleraciones en un intervalo de tiempo muy corto o rotando a gran velocidad (por ejemplo, una explosión de Supernova o la formación de un agujero negro). Por ejemplo, el video que sigue muestra las ondas gravitacionales producidas por dos estrellas de neutrones en colisión.

                                    Credit: NASA/Goddard Space Flight Center

 

  En particular, las ondas que detectó LIGO fueron producidas por un sistema de agujeros negros binarios llamado GW150914 que está situado a 1.3 billones de años luz, cada uno con una masa de aproximadamente 29 y 36 veces la masa del Sol. Estos objetos se fusionaron para formar un agujero negro más masivo, de aproximadamente 62 masas solares.

Pero.. ¿A dónde fueron las 3 masas solares que faltan?

Según la relatividad general, cuando dos agujeros negros orbitan entre sí van perdiendo energía en forma de ondas gravitacionales, lo que produce que se aproximen cada vez más, y cada vez más rápido. En el último segundo de este proceso, los agujeros negros se chocan aproximadamente a la mitad de la velocidad de la luz, formando un agujero más masivo y convirtiendo una porción de esa masa en energía, de acuerdo con la fórmula de Einstein E=mc². Esta energía es emitida al final en forma de fuertes ráfagas de ondas gravitacionales: éstas fueron las que observó LIGO.

El video a continuación es una simulación que muestra el efecto causado en el espacio-tiempo durante la colisión.

 

Credito: SXS Collaboration/Canadian Institute for Theoretical Astrophysics/SciNet

 

 

El experimento LIGO consiste en dos detectores: uno en Livingston, Louisiana y el otro en Hanford, Washington, EE.UU. Cada uno es un interferómetro de Michelson, que consiste en dos “brazos” perpendiculares entre sí, cada uno de 4 km de largo. Desde su vértice, se emite un rayo láser, que se divide hacia cada brazo y rebota en unos espejos ubicados en sus extremos. El instrumento está calibrado de manera tal que los rayos de luz vuelven al punto de partida con una diferencia de fase de 180º, cancelándose completamente (este efecto se denomina interferencia destructiva), por lo que no llega ninguna señal al detector. Cuando pasa una onda gravitacional, los brazos se distorsionan rompiendo con esta interferencia, y haciendo que pase algo de luz hacia el detector. Este instrumento es capaz de detectar una diferencia de longitud entre los brazos más pequeña que 0.001 veces el radio de un protón.

 

Por eso, al ser tan pequeño el efecto que se produce, se deben tomar precauciones: para no confundir las ondas gravitacionales con efectos locales como temblores o cambios de temperatura, los brazos están dentro de un vacío casi perfecto, a muy baja temperatura y sobre una construcción antisísmica. Cada perturbación es medida con extremo cuidado. Además, los resultados obtenidos en cada detector (el que está en Louisiana y el de Washington) son comparados: sólo se consideran datos que sean iguales en ambos, descartando así cualquier señal que sea ruido.

 

 

 

Esta es una animación que muestra cómo funciona el interferómetro:

Crédito: T. Pyle, Caltech/MIT/LIGO Lab

 

  El descubrimiento de LIGO es asombroso. No sólo comprobó la existencia de las ondas gravitacionales y de sistemas de agujeros negros binarios, sino que marca el inicio de muchos nuevos y emocionantes descubrimientos que nos permitirán comprender mejor el Universo, observándolo desde otra perspectiva. Así como Galileo cuando apuntó su primer telescopio al cielo y descubrió un universo insospechado, al observar con este nuevo instrumento, tendremos la posibilidad de encontrarnos con fenómenos que no habíamos imaginado antes.

 

Fuentes:

1. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger – B. P. Abbott et al
2. Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein’s Prediction
3. The First Sounds of Merging Black Holes – Emanuele Berti (Department of Physics and Astronomy, The University of Mississippi, University, Mississippi 38677, USA)