Explicamos qué son las ondas gravitacionales, cuya detección fue premiada en 2017. Premio Nobel de Física

3 de octubre La Real Academia Sueca de Ciencias otorgó el Premio Nobel de Física a los físicos Rainer Weiss, Kip Thorne y Barry Barish por su detección directa de ondas gravitatorias, determinadas ondulaciones en el espacio-tiempo que el propio Einstein había predicho en su teoría de la teoría general. la teoría de la relatividad, muy difícil de detectar, hasta 2022.

A juzgar por el bombo que rodea el anuncio de la Primera Detección del 2022, éste es probablemente el Premio Nobel de Física menos sorprendente desde el 2022, cuando le ganaron los físicos François Englert y Peter Higgs por su teoría del bosón de Higgs .

‘La gente ha estado pensando en esto durante 40 años , intentando recogerlo, a veces fracasando en los primeros días, y luego lentamente pero seguramente poniendo la tecnología en su sitio para hacerlo’, dijo Weiss. Es muy interesante que finalmente funcionó y detectamos algo, y gracias a las ondas gravitacionales, estamos ampliando nuestro conocimiento de lo que está ocurriendo en el universo.

Weiss del MIT y Thorne y Barish de Caltech contribuyeron a uno de los experimentos más ambiciosos (y caros) de las dos últimas décadas: LIGO , o el Observatorio Astronómico de Ondas Gravitacionales, interferometría láser. En septiembre de 2022, los dos detectores masivos de LIGO pudieron escuchar el ligero murmullo de dos agujeros negros que chocaron hace más de mil millones de años.

La fuerza de esta colisión distorsionó el tejido del espacio-tiempo, provocando ondas que, viajando a la velocidad de la luz, tardaron más de mil millones de años en cambiar casi imperceptiblemente la distancia entre ambos conjuntos de espejos de cada uno de los detectores de LIGO.

‘El premio de este año trata de un descubrimiento que sacudió al mundo’, dijo Göran Hanssen, secretario general de la Academia Sueca. La Fundación Nobel otorgó medio millón de dólares a Weiss y la otra mitad a Barish y Thorne ‘por sus contribuciones fundamentales al desarrollo del detector LIGO y la observación de las ondas gravitacionales’.

A continuación explicamos la información disponible sobre estas ondas cósmicas.

¿Qué son las ondas gravitatorias?

Para hacernos una idea, las ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo que resultan de los fenómenos más violentos del cosmos : explosiones de estrellas, colisiones de estrellas de neutrones increíblemente densas o fusión de agujeros negros .

Estos cataclismos cósmicos liberan tanta energía que emiten ondas gravitacionales que podemos observar directamente como distorsiones en el tejido rígido y resistente del espacio-tiempo. Las ondas gravitatorias pasan cerca de la Tierra todo el tiempo, pero hasta ahora ningún experimento ha sido sensible para detectarlas.

¿Por qué son tan difíciles de detectar?

Cuando las ondas gravitacionales nos llegan desde los acontecimientos lejanos de los que se originaron, sólo han deformado el espacio-tiempo en cantidades muy pequeñas. Una onda gravitatoria que atraviesa la Tierra puede expandirse y contraer el espacio entre los dos ejes, pero esta distorsión refleja una pequeña fracción de la anchura de un protón , una de las partículas del núcleo de un átomo. Medir esos minutos cambios de longitud es prácticamente imposible para la mayoría de los instrumentos.

Entonces, ¿cómo detectan los científicos las ondas gravitatorias?

La primera detección directa la realizó LIGO (Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory), financiado por la National Science Foundation.

Estas instalaciones estadounidenses consisten en dos detectores idénticos en forma de L en los estados de Washington y Luisiana. Cada uno de ellos utiliza láseres y espejos para medir pequeños cambios en el espacio-tiempo causados ​​por la radiación gravitatoria que los atraviesa. Es el aparato de medida más sensible del planeta, y cada brazo de la ‘L’ mide casi 4 kilómetros de punta a punta. La colaboración científica de LIGO es igualmente grande, con la participación de más de 1.000 científicos .

La clave para detectar las ondas gravitatorias es variar la distancia entre los espejos en cada extremo de estos brazos perpendiculares de 4 kilómetros de largo .

Un espejo está unido al extremo de cada brazo y otro se encuentra en la unión de ambos brazos. Cuando las ondas gravitacionales atraviesan la Tierra, primero cambian la distancia entre el par de espejos, después la distancia entre el par perpendicular. Un láser que rebota entre los espejos controla la distancia entre los espejos cuya precisión parece casi imposible (los detectores son sensibles a cosas como el paso de camiones, rayos, ondas oceánicas y terremotos). Para que una señal sea real, debe aparecer en ambos detectores .

Hasta ahora, LIGO ha detectado al menos cuatro señales de este tipo, siendo todas ellas el resultado de la colisión de agujeros negros . Se espera que pronto se libere una quinta señal, que se llama producida por fusiones de estrellas de neutrones .

‘Ahora hemos visto el amanecer de un nuevo campo, la astronomía de ondas gravitacionales ‘, dijo Nils Mårtensson, miembro del comité Nobel. ‘Esto nos enseñará más sobre los procesos violentos en el universo y proporcionará nuevas ideas sobre la naturaleza de la gravedad extrema’.

Ahora podemos observar directamente el detector Virgo del Observatorio Gravitacional Europeo , que tiene un diseño similar al LIGO. De hecho, también detectó la cuarta colisión de agujeros negros observada por los detectores gemelos de LIGO. Con tres observatorios de este tipo en funcionamiento, los científicos pueden identificar con mayor precisión la región del cielo donde se encuentra la fuente de las ondas gravitatorias. Experimentos similares en Japón e India deberían unirse a la explotación de estos detectores.

¿Hay otras formas de detectarlos?

Otros equipos, como NANOGrav (el observatorio estadounidense de ondas gravitacionales de nanohertz) y dos proyectos colaborativos similares en Europa y Australia , utilizan cadáveres estelares rotativos llamados púlsares para registrar el paso de las ondas gravitacionales. Los púlsares se encuentran entre los relojes más precisos del espacio: estos objetos giran en círculos y emiten potentes haces de radiación electromagnética que llegan a la Tierra a un ritmo constante, como si los púlsares fueran balizas.

Los astrónomos pueden utilizar diferencias de tiempo de los púlsares para detectar la radiación gravitatoria, que revela muchas estrellas muertas. A diferencia de LIGO, las cuerdas de sincronización de Pulsar pueden detectar ondas gravitacionales emitidas por la colisión de agujeros negros supermasivos , los monstruos que giran en el corazón de las galaxias.

Además, la NASA y la Agencia Espacial Europea están desarrollando una misión llamada LISA , la antena espacial interferómetro láser, que utilizará tres detectores en el espacio a millones de millas de distancia para detectar estas pequeñas vibraciones en el espacio-tiempo .

¿Quién inventó las ondas gravitatorias?

en 1916 Albert Einstein propuso que las ondas gravitacionales podrían ser un resultado natural de su teoría general de la relatividad . Aunque otros científicos aceptaron su predicción, Einstein no estaba del todo convencido de que tuviera razón; durante décadas después, siguió jugando con la cuestión de las ondas gravitacionales, publicando varios estudios que refutaban su idea original.

En la década de 1970, los científicos detectaron indirectamente ondas gravitatorias por primera vez observando un par de púlsares que orbitaban entre sí. Utilizando el gigante radiotelescopio Arecibo en Puerto Rico, el equipo midió las órbitas de los púlsares y descubrió que se estaban acercando. Para que esto sucediera, el sistema tuvo que emitir energía en forma de ondas gravitatorias, por lo que Joe Taylor y Russell Huse fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1993.

Y después, por supuesto, el equipo LIGO detectó directamente ondas gravitacionales en septiembre de 2022, poniendo fin a un siglo de especulación y confirmando la predicción original de Einstein .

‘Este fenómeno causó sensación en todo el mundo’, dijo Olga Botner, del comité Nobel. ‘ Sabemos indirectamente que existen ondas gravitatorias, pero esta es la primera vez que se observan directamente ‘.

Más sobre Einstein: la ciencia demuestra que Einstein tiene razón… De nuevo

Además de demostrar (una vez más) que Einstein tenía razón, ¿por qué nos preocupamos tanto esos fenómenos?

Desde que LIGO anunció por primera vez su detección de ondas gravitatorias, hemos aprendido mucho más sobre el cosmos, es decir, que los agujeros negros supermasivos chocan más a menudo de lo que pensábamos.

Historia de los Premios Nobel.

Más importante aún, las ondas gravitacionales ofrecen una nueva forma de mirar el cosmos : ahora podemos detectar fenómenos que de otro modo no dejarían rastro de luz observable, como las colisiones de agujeros negros. Es algo como mirar el cielo a través de ondas de radio, infrarrojos o longitudes de onda visibles; aprendemos algo nuevo cada vez que lo miramos a través de cada uno de estos filtros. Las ondas gravitatorias son otro par de gafas a través de las que podemos observar.

‘La mayoría de nosotros esperamos aprender cosas que nos eran desconocidas’, dijo Weiss. ‘Conocíamos los agujeros negros de otras maneras, y sabíamos sobre las estrellas de neutrones. Bien, estas son las dos cosas que finalmente notamos.

‘Sin embargo, esperamos que haya otros tipos de fenómenos que podemos ver a causa de las ondas gravitatorias que emiten. Abriría [la puerta] a una nueva área de la ciencia.

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Susan McDonald

Susan McDonald se especializó hace años en el avistamiento y el estudio de estrellas. Nos ha demostrado la importancia del cálculo algorítmico y la precisión para analizar los astros, y ha redactado los mejores artículos de la web para estudiarlas. Practica meditación y trabaja en un centro de astrología cerca de su ciudad.

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