Sinfonía cósmica

” … y es que Twitter a veces parece el rellano de la escalera para los científicos. Chismorreos, chismorreos…”

Todo comenzó el pasado mes de setiembre cuando Lawrence Krauss, uno de esos físicos a los que les gusta meterse en berenjenales religiosos, se metió en otro berenjenal anunciando un rumor que podría agitar los cimientos del propio tejido del universo. Krauss se aventuró a lanzar el siguiente tuit:

“Rumores de la detección de ondas gravitaciones en el detector LIGO. Increíble si es cierto. Seguiré informando si sobrevive”

y pese a no pertenecer al experimento LIGO, dejó libre el primer rumor que hace indicar que se han detectado ondas gravitacionales. Y cuando todavía había gente de la colaboración LIGO que le estaba maldiciendo, el pasado día 11 de Enero, Krauss volvió a lanzar un rumor sobre su anterior rumor:

“Mi rumor anterior sobre LIGO se ha confirmado por fuentes independientes. ¡Permaneced atentos! ¡Las ondas gravitacionales podrían haber sido descubiertas! ¡Apasionante!”

¿Por qué crean tanta expectación las ondas gravitacionales?

De descubrirse, se confirmaría una de las predicciones más importantes de la relatividad general de Einstein (y ahora de todos nosotros). Probablemente tendría consecuencias muy relevantes en la compresión del Universo a gran escala. El “¿de dónde venimos?” y el “¿a dónde vamos?” estarían un más cerca de conocerse.

Imagina el Sistema Solar. Bueno, imagina tan solo que está el Sol y la Tierra dando vueltas a su alrededor gracias a la gravedad. Ahora imagina que el Sol, de repente, desaparece. Como la luz viaja a unos 300 000 quilómetros por segundo, tardaríamos unos minutos en darnos cuenta de que el Sol ha desaparecido. Unos 8 minutos más o menos. Y la fuerza de la gravedad, ¿qué? ¿Desaparecería de manera instantánea al dejar de existir el Sol? Es decir, ¿seguiríamos viendo el Sol aunque ya no ejerciese ninguna influencia sobre la Tierra y esta comenzase a viajar a la deriva por el espacio? Según Newton, sí. Para él la gravedad se transmitía de manera instantánea. Y así fue hasta que Einstein miró la gravedad desde un punto de vista completamente  diferente.

Para Einstein, la gravedad dejaba de ser una fuerza atractiva entre dos cuerpos con masa. Lo que en realidad ocurre es que los cuerpos con masa (y si es mucha masa mejor) curvan el tejido del espacio y del tiempo por el cual se mueven todos los cuerpos. El espacio-tiempo pasó de ser un elemento estático e inmutable a ser una entidad física más con propiedades particulares y cambiantes. La Tierra, en su órbita alrededor del Sol, en realidad sigue trayectorias en línea recta pero se mueve en un terreno que esta curvado. Como consecuencia, resulta en un movimiento aparentemente circular alrededor del Sol.

Uno puede imaginarse el tejido del espacio-tiempo como una malla que se deforma debido a la presencia de una masa como el Sol. Cuesta un poco de imaginar al principio pero luego uno se acostumbra. En el siguiente fragmento de “El Universo Elegante” puede servir de ayuda.

 

Piensa ahora en un estanque de agua tranquilo. La superficie del agua se encuentra completamente plana. Sin duda, lo que a uno le entran ganas de hacer es tirar una piedra y perturbar ese estado de relajación máxima que tan nervioso te pone. Y lo haces. Cuando la piedra cae al agua se generan una serie de ondulaciones que se propagan formando círculos alejándose del lugar donde ha caído la piedra.

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Ondas generadas en el agua tranquila al caer otro objeto. Las ondas se propagan formando círculos concéntricos.

De una manera muy similar, los cuerpos masivos que se mueven a velocidades muy altas, provocan un efecto similar al de la piedra cayendo al estanque, generando lo que conoce como ondas gravitacionales en el espacio-tiempo. Fenómenos como la explosión de una supernova o la unión de dos agujeros negros crearían ondulaciones en el tejido del cosmos. Estos fenómenos tan violentos serían nuestras piedras en el estanque cósmico.

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Ejemplo de perturbación en el espacio-tiempo provocada por la unión de dos agujeros negros.

Las ondulaciones provocarían una contracción del espacio en una dirección mientras que en otra dirección el espacio se estiraría. Si pudiésemos ver la Tierra a través de el prisma de una onda gravitacional veríamos algo parecido a esto:

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La Tierra bajo el efecto de una onda gravitacional.

El problema está en que la contracción en el espacio-tiempo que producen los objetos más cotidianos es demasiado pequeña para ser detectada. Debemos recurrir a fenómenos más violentos y que produzcan una agitación del tejido del cosmos suficientemente grande. Por ejemplo, la explosión de una supernova, una estrella de neutrones o la fusión de dos agujeros negros. No obstante, estos fenómenos que se encuentran entre los más violentos producen una contracción del espacio-tiempo equivalente al tamaño de un átomo, menos de una millonésima de milímetro. ¿Como podemos detectar una distancia tan pequeña?

El experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observer), en Estados Unidos, lleva años intentando detectar las ondas gravitacionales mediante interferometría láser. Para ello, utiliza dos láser de 3 quilómetros dispuestos en forma de L con un espejo al final de cada uno de los brazos (mira la imagen). De hecho, hay dos de estos dispositivos. Uno en Livingston, en Louisiana y el otro en Hanford en el estado de Washington.

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Los dos brazos perpendiculares de 3 quilómetros de largo de LIGO en Hanford, Washington.

El efecto de dicha contracción (expansión) tan pequeña es acumulativo. Por esta razón, los rayos láser se hacen rebotar varias veces contra los espejos. De esta manera la luz de los dos láser recorre unos 800 kilómetros (en una mínima fracción de segundo) antes de ser comparados. Cuando digo comparar me refiero a comparar la fase de cada una de las ondas láser. Es decir, interferometría. Si se da el hecho de que uno de los dos brazos del experimento se ha visto afectado por una onda gravitatoria y se ha contraído (o expandido) el resultado será que los dos láser llegarán desfasados al detector y querrá decir que hemos detectado nuestra primera onda gravitacional. ¡Felicidades!

 

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Diagrama esquemático del sistema de láser interferométrico de LIGO

Como toda onda, las ondas gravitacionales también tienen una frecuencia característica. Se calcula que para eventos como la unión de dos agujeros negros en uno solo la frecuencia de oscilación de la onda gravitacional sería de unos 1000 Hz. Esta frecuencia se encuentra dentro del rango audible del ser humano. Si en vez de ser una vibración del espacio fuese una vibración del aire podríamos escucharla. Citando a B.Greene en el Tejido del Cosmos, “dos agujeros negros en colisión imitarían el gorjeo de un gorrión que haya recibido un golpe”. Pronto, disponible en mp3 en iTunes.

Uno de los problemas que se encuentra LIGO (entre muchos otros) es que la más mínima vibración del terreno puede estropear la medida . ¿Qué podemos hacer para evitar las vibraciones? Lanzar el experimento al espacio.

Esa es la misión de LISA (Laser Interferometer Space Antenna) de la Agencia Espacial Europea (ESA). Basándose en el mismo principio que LIGO, nos permitiría detectar ondas gravitacionales directamente en el espacio sin tener que preocuparnos por las vibraciones sísmicas. LISA está planeado que se lance el año 2034 y constará de tres naves que se colocarán formando un triángulo equilátero entre ellas separadas una distancia de varios millones de quilómetros. Probablemente estemos ante el experimento más ambicioso de la exploración espacial.

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Triángulo equilátero formado por las tres naves que conformarían LISA

Pero quizás no tengamos que ir a fuentes localizadas como un agujero negro o una supernova para detectar ondas gravitatorias. El propio Big Bang, la gran explosión que dio lugar al Universo tal y como lo conocemos, podría haber dejado su huella en forma de onda gravitacional primordial que hoy todavía agita el Universo. De detectarla, estaríamos en cierto sentido escuchando una sinfonía cósmica del mismísimo momento de la “creación”.

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[1] K.Thorne: Black holes and time wraps

[2] B.Greene: El tejido del cosmos

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3 Comentarios Agrega el tuyo

  1. McClane dice:

    Más allá de lo muy interesante que es el experimento (LISA ya es una flipada) y la relevancia que supondría el descubrimiento, y después la posibilad de medir las ondas, me llama mucho la atención la parte sociológica del tema.

    Por una parte, el primer rumor salió en septiembre, nada más empezar la toma de datos. Así que de ser cierto fueron extremadamente afortunados de lograr un descubrimiento con un experimento empezando a correr, cuando imagino que el entendimiento y la experiencia con el aparato todavía está en su nivel más bajo.
    Y por la otra, han pasado 4 meses después del primer rumor… no debería haberse refutado o confirmado ya? Por ejemplo ,en LHC desde que los rumores se “generan”, supongo que más o menos después de que los datos se “abren” para el análisis, hasta la primera presentación pública, no suele pasar un espacio de tiempo tan grande, o eso creo… Cuando esperan sacar los datos?

    Sere desconfiado, pero no puedo evitar comentar el tufillo que provoca cierta gente, que parece sentir placer en ser el foco de atención sin ningun merito (qué sentido siente sino hacer de altavo público de un rumor sin fuentes?) y la ventaja mediática (que a veces se ha tornado en esperpento) que debe de pensar sacar parte del experimento. Desde luego la ciencia no esta ajena a la era Twitter…

    Aunque por el lado bueno, la no confirmación del rumor significa que por lo menos aquí no tenemos que padecer el esperpento en forma de cascada de artículos sin ningún interés añadido explicando una posible resonancia que crece y crece día tras día… el esperpento, no la significancia de la resonancia.

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    1. Hector Garcia dice:

      Ya las tenemos aquí!!!! Se han descubierto las ondas gravitacionales!!

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