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Victor Calderón
Jul 5, 2017

Ondas Gravitatorias - ¿Qué son, cómo se detectan, y cómo se originan?


Figura 1: Concepto de artista de “Ondas Gravitacionales”

El año pasado, todo el mundo se estremeció al conocer sobre el descubrimiento de ondas gravitacionales. Este hecho marcó un éxito para la física y para la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. El 15 de Septiembre del 2015, LIGO (Observatorio de Ondas Gravitatorias de Láser Interferómetro, LIGO en inglés) detectó la primera onda gravitacional, desde que Einstein las predijo en el año 1916 con la teoría de la relatividad general. Las ondas gravitacionales son perturbaciones en el espacio-tiempo producidas por la aceleración y cambio de movimiento de objetos masivos en el espacio. En el caso de LIGO, ellos lograron detectar la interacción de dos hoyos negros, orbitando uno al otro, momentos antes de que se fusionaran en un mismo hoyo negro. Los hoyos negros tenían masas de 29 y 36 veces la masa del Sol.


La teoría de la relatividad general dicta que cuando objetos con gran masa se mueven a través del cosmos, éstos perturban el espacio alrededor de ellos, creando “ondas” de energía que viajan a través del espacio. Muchos objetos en el Universo pueden dar lugar a estas “ondas”, como por ejemplo objetos binarios (objetos que orbitan alrededor de otros objetos), hoyos negros, explosiones supernova (la última etapa en la evolución de una estrella, en donde la estrella “muere” en una impresionante explosión), entre otras. Cuando estas ondas pasan a través de cualquier objeto (por ejemplo, la Tierra), éstas comprimen todo lo que esté en su camino, asimilando a un acordeón. Esto hace que los objetos se comprimen y se elonguen, mientras pasa la onda a través de ellos.

Figura 2: Esquema del detector LIGO. Consiste de un set de espejos y láseres que miden las distancias con una precisión de 1/1000 veces el tamaño de una partícula de protón.

LIGO utilizó un set de espejos y láseres para detectar este evento, lo que se conoce como un “interferómetro”. Este instrumento óptico emplea la interferencia de las ondas de luz para medir con increíble precisión las longitudes de onda de la misma luz, y puede ser utilizado para medir distancias con altas precisiones. El interferómetro de LIGO consisten en brazos de 4 kilómetros de largo, y cuenta con los detectores más sensibles que se han construido hasta hoy en día. Este nivel de sensibilidad es crucial para detectar este tipo de eventos, ya que los efectos producidos por las ondas gravitatorias son inclusive más pequeñas que un átomo o un protón. En la figura 2, se muestran los láseres y los dos brazos de 4 kilómetros cada uno, junto con el detector. Este experimento está diseñado de forma que cuando no hay ninguna onda gravitatoria, las ondas de luz en cada brazo se cancelan, y ningún tipo de luz se produce. En cambio, cuando una onda gravitatoria comprime o elonga uno de los brazos, ésta altera el rayo de luz en uno de los brazos, lo cual produce que los dos rayos no sean iguales e idénticos. Por ende, los dos rayos no se cancelan uno al otro completamente, emitiendo una señal de luz que es detectada por el detector al final del interferómetro. Este concepto está ilustrado en la figura 3, en donde se muestran los dos escenarios.

Figura 3: Diferentes tipos de señales que el interferómetro de LIGO puede detectar. Cuando no hay una onda gravitatoria, los rayos de luz (ondas azules) se cancelan a sí mismas y no producen ninguna señal. Cuando una onda gravitatoria pasa por un objeto, los rayos de luz no se cancelan completamente y producen un rayo de luz en el detector.

Además de contar con LIGO para explorar este nuevo campo, se cuenta con varios interferómetros en la Tierra, como también planes para futuros interferómetros espaciales. Otros detectores como el detector VIRGO, en Pisa, Italia, tendrá similares capacidades a las de LIGO. En Alemania, se cuenta con el GEO600, el cual funcionaba mientras que LIGO y VIRGO eran actualizados y renovados. El lugar ideal para este tipo de detectores es el espacio, ya que no existen ningún tipo de movimientos sísmicos u otros fenómenos que puedan arruinar la señal de una onda gravitatoria. El interferómetro espacial, eLISA (Antena Espacial de Láser Interferómetro, siglas en inglés), se planea estar en funcionamiento en el 2030. En anticipación a ELISA, la Agencia Espacial Europea (ESA, con siglas en inglés) lanzó el “LISA Pathfinder”, una misión diseñada a probar tecnologías necesarias para poder detectora completamente ondas gravitatorias en el espacio.


El descubrimiento de la ondas gravitatorias fue y será recordado como un hecho monumental, comparable a cuando Galileo Galilei apuntó su telescopio al cielo. Antes de Galileo, no se conocía sobre otras estrellas, galaxias, ni sobre la inmensidad del Universo. Esta rama de astrofísica abre las puertas a nuevos descubrimientos, tanto en el área teórica como instrumental. Este fenómeno confirma la teoría de la relatividad general, y revela mucho sobre cómo interaccionan diferentes objetos en el espacio. El campo de ondas gravitatorias apenas está empezando, y aún no existen límites sobre lo que nos pueden enseñar sobre nuestro Universo.

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Referencias

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