El secreto de las ondas gravitacionales

Simulación: un agujero negro chupa luz

Hace más de mil millones de años, en las profundidades del universo, un agujero negro quedó atrapado en el campo de gravedad de otro agujero negro. Comienza una batalla cósmica entre estos monstruos galácticos, que termina en una gran explosión.

Un fatídico turno de noche en Hannover

Es la noche del 14 de septiembre de 2015. El analista de datos Marco Drago está sentado frente a su computadora en Hannover y evalúa los datos de medición. Drago pertenece a un grupo global de físicos que se han propuesto la tarea de probar una teoría centenaria de Albert Einstein: la teoría de las ondas gravitacionales.

Para este propósito, se construyeron instrumentos de medición de una milla de largo en EE. UU. Eso es «Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser», LIGO para abreviar.

Los interferómetros gigantes se encuentran en las ciudades estadounidenses de Livingston y Hanford. Cuatro kilómetros de longitud, tubos dobles dispuestos en ángulo recto, en los que hay un vacío absoluto y espejos precisos reflejan rayos láser.

Cuando el sistema informático de LIGO hizo sonar la alarma esa noche, Marco Drago no tenía idea de que era la primera persona en los 40 años de historia de LIGO en ver la señal de una onda gravitacional real. La búsqueda de 100 años ha terminado. Se abre una nueva puerta de entrada al universo.

Vista aérea del Savatorio Superior LIGO en Hanford

En Hanford, LIGO construyó kilómetros de instrumentos de medición

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Albert Einstein también había examinado la gravedad en su teoría general de la relatividad y la describió como un efecto del espacio y el tiempo. En su mente, el espacio y el tiempo están entretejidos como una manta de goma. Cada energía, cada masa de nuestro universo, ya sea un sol, un planeta o un hámster, crea una abolladura en esta tela. Cuanto más profunda se crea la abolladura, mayor es la gravedad, es decir, la atracción del objeto.

Si los objetos se mueven sobre esta tela, que Einstein llama espacio-tiempo, entonces generan ondas en el espacio-tiempo. Algo así como un barco moviéndose sobre la tranquila superficie de un lago y provocando olas.

En el espacio-tiempo, estas ondas significan que tanto el espacio como el tiempo se comprimen y estiran brevemente. Einstein llama a estas ondas en el espacio-tiempo ondas gravitacionales. Dado que las ondas gravitacionales no tienen masa, viajan a través del espacio-tiempo a la velocidad de la luz. Fueron necesarios 100 años para que la LIGO probara la teoría de Einstein.

Captura de pantalla de la película "Einstein y la gravedad"

Einstein y la gravedad. Conocimiento del planeta. 14/01/2020. 02:39 min .. Disponible hasta el 14 de enero de 2025. WDR. Por Sanaz Saleh-Ebrahimi, Heinz Greuling.

¿De dónde provienen las ondas gravitacionales?

La onda gravitacional que hizo que nuestra tierra oscilara en el espacio-tiempo el 14 de septiembre de 2015, se originó hace 1.400 millones de años muy por detrás de la Nube de Magallanes en la constelación del pez espada. Esta constelación solo se puede ver desde el hemisferio sur de la tierra.

Dos agujeros negros se acercaron y colapsaron entre sí. Se daban vueltas entre sí en caminos en espiral cada vez más estrechos. Este movimiento creó la onda gravitacional que se suponía que debía medirse en la Tierra.

Los físicos de LIGO pueden sacar conclusiones sobre los dos agujeros negros basándose en la forma y frecuencia de la onda gravitacional. Uno de los agujeros negros era casi 30 veces más pesado que nuestro sol, el otro tenía 35 masas solares.

Después de que los dos agujeros negros se movieron 350 kilómetros juntos, se fusionaron en un nuevo agujero negro en solo 0,2 segundos. Tiene una masa de 62 masas solares.

Las otras tres masas solares se irradiaron en forma de onda gravitacional. La ola tuvo una actuación increíble al principio. 36,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 vatios. No hay una palabra para este número extremadamente grande, por lo que los físicos lo abrevian a 3.6 por 10 a la potencia de 49 vatios. La onda se propaga uniformemente en todas direcciones a la velocidad de la luz, distribuyendo así su energía.

Simulación por computadora de la colisión de un agujero negro

Simulación por computadora de la colisión de un agujero negro

¡Mide ondas gravitacionales con un invento de 150 años!

Los humanos no podemos sentir las ondas gravitacionales. De hecho, se necesitan instrumentos de medición que puedan medir un cambio de longitud en una milésima parte del diámetro de un protón: una cantidad diminuta inimaginable.

Pero es posible con un truco: necesitas un interferómetro. El interferómetro se remonta a Albert A. Michelson. El físico prusiano construyó un dispositivo en 1883 para generar interferencia utilizando dos rayos de luz, es decir, un cambio entre las alturas de la cresta de las olas y las profundidades de las ondas.

Dado que la luz tiene un carácter ondulado, también es posible generar interferencias con la luz. Sin embargo, para hacer esto, los rayos de luz deben tener la misma longitud de onda. Si los dos rayos de luz están en el mismo ciclo de onda, entonces se suman la cresta de la ola con la cresta de la ola, el valle de la ola con el valle de la ola. Pero si no están sincronizados, las crestas y valles de las olas se extinguen total o parcialmente. Surge un patrón de interferencia típico. Hay áreas de refuerzo y áreas de extinción total. Esto crea patrones de luz claros y oscuros en una pantalla.

¿Cómo puede un interferómetro láser medir ondas gravitacionales?

Un interferómetro láser aprovecha el hecho de que la luz láser siempre oscila con la misma longitud de onda. El rayo láser se envía a través de un espejo semitransparente de modo que el rayo se divide en 90 grados. Ambos rayos láser ahora hacen el viaje de la misma longitud hasta el espejo al final del tubo del rayo y desde allí nuevamente.

Solo los rayos del primer espejo semitransparente se dirigen a un detector. Dado que ambos rayos viajaron la misma longitud, su ciclo también es el mismo. El detector no ve ninguna interferencia.

Sin embargo, una onda gravitacional se extiende tanto en el tiempo como en el espacio. El resultado: cuando una onda gravitacional golpea el interferómetro, los dos rayos láser en los dos tubos de rayos no están sincronizados. Esto crea un patrón de interferencia, la señal de una onda gravitacional. A continuación, el software del detector LIGO calcula el patrón de onda típico, que en última instancia también puede reproducirse acústicamente.

Interferómetro geo600

El interferómetro láser GEO600 del Instituto Max Planck de Física Gravitacional

Onda real o onda falsa: cinco meses de incertidumbre

La búsqueda de ondas gravitacionales no es fácil. Los detectores LIGO miden cada golpe, cada camión que pasa, incluso el oleaje del océano distante.

Hay patrones de ondas finas que deben distinguirse. Los físicos filtraron rápidamente las ondas terrestres, pero ¿cómo se ve una onda gravitacional para los instrumentos de medición?

Para ello, se desarrollaron modelos matemáticos, como plantillas que simulan una estrella de neutrones en rotación, por ejemplo, o dos agujeros negros que chocan entre sí. Luego, estas plantillas se colocan sobre los datos medidos y se puede tomar la decisión: si es una onda gravitacional o no.

Además, las ondas de prueba engañosamente reales fueron y se reproducen en el sistema una y otra vez. Así es como desea practicar las emergencias: desde la medición hasta la verificación. Durante días los empleados de LIGO realizaron cálculos y análisis hasta que solo se anunció al final que era solo una prueba.

Por lo tanto, la señal del 15 de septiembre de 2015 se mantiene en secreto por el momento. Porque nadie sabe al principio si se trata de una señal real o simulada. Entonces resulta: ¡No es una prueba! Es la primera vez en la historia de la humanidad que se mide una onda gravitacional.

Los físicos de la red LIGO, sin embargo, llegan a la conclusión de que esta noticia solo puede anunciarse después de una cuidadosa investigación científica. Así sucedió que el público no fue informado del descubrimiento hasta cinco meses después, en febrero de 2016. Solo entonces se podrán publicar realmente todos los resultados e investigaciones. Esto incluye un chirrido que se crea cuando la onda gravitacional medida se transforma en el rango de frecuencia audible.

El Premio Nobel de Física

Hasta febrero de 2016, la astronomía se basó en telescopios ópticos, infrarrojos y radiotelescopios para descubrir los misterios del universo. El problema siempre fue que solo se podían descubrir objetos que emitían luz, por muy débil que fuera. Los objetos oscuros, como los agujeros negros, solo podían examinarse indirectamente.

Con el descubrimiento de las ondas gravitacionales, el universo ahora no solo se puede ver sino también escuchar. Con la investigación de ondas gravitacionales, los agujeros negros se pueden detectar directamente por primera vez. Pero ahora se pueden examinar más de cerca otros objetos masivos, como estrellas en explosión, supernovas o estrellas de neutrones. Cien años después de la predicción de Einstein, los científicos ahora tienen la oportunidad de comprender e investigar su universo de una manera completamente nueva.

La dedicación y décadas de búsqueda de las ondas gravitacionales fueron recompensadas con el Premio Nobel de Física en 2016. Los galardonados Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne son los fundadores y directores de LIGO. Recibirás el premio en nombre de los miles de científicos e ingenieros que han probado la teoría de Albert Einstein: con prueba de ondas gravitacionales.

Barry Barish, Kip Thorne y Rainer Weiss

Barry Barish, Kip Thorne y Rainer Weiss recibieron el Premio Nobel de Física en 2017