La detección de ondas gravitacionales anuncia una nueva era

Los científicos de LIGO han anunciado la detección directa de ondas gravitacionales, un descubrimiento que no solo abrirá una nueva ventana en el cosmos, sino que abrirá la puerta de par en par.

Dos agujeros negros se unen en una imagen fija de una simulación numérica. Tales predicciones, basadas en la teoría de la relatividad general de Einstein, coinciden exactamente con lo que descubrieron los científicos de LIGO el 14 de septiembre de 2015.
MPI para Física Gravitacional / Werner Benger / ZIB / Louisiana State University

Hoy, los físicos anunciaron la primera detección directa de ondas gravitacionales, ondas en la estructura del espacio-tiempo predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein. Dos objetos de aceleración masiva en este caso, un par de agujeros negros de masa estelar en una espiral de muerte pasaron por el espacio-tiempo como paletas que barren el agua, creando vibraciones que apenas podían sentirse en la Tierra. Los resultados se publican en Physical Review Letters .

"Hemos detectado ondas gravitacionales. ¡Lo logramos!" Un eufórico David Reitze, director ejecutivo de LIGO, anuncia el resultado en la conferencia de prensa del 11 de febrero.

Ha sido un tema recurrente en la historia: cuando los científicos abren una nueva ventana al universo, hacen descubrimientos transformadores. Pero cuando LIGO, abreviatura de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, capturó las olas de estos dos agujeros negros en colisión, no solo abrió una nueva ventana, sino que abrió una puerta de par en par, prometiendo una nueva capacidad impresionante para estudiar exóticos y de lo contrario. fenómenos cósmicos indetectables. No se sorprenda si los fundadores de LIGO, Kip Thorne, Ronald Drever y Rainer Weiss, obtienen boletos gratuitos de ida y vuelta a Estocolmo para recoger un Premio Nobel.


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La deteccion

En este esquema de LIGO, un divisor de haz envía luz a lo largo de dos caminos perpendiculares entre sí. Cada haz rebota entre dos espejos, uno de los cuales deja pasar una fracción de la luz. Cuando los dos haces transmitidos se encuentran e interfieren, se cancelarán mutuamente, si la longitud del camino que han recorrido se ha mantenido constante. Pero si pasa una onda gravitacional, deformará el espacio-tiempo y cambiará esa distancia, creando un patrón de interferencia.
Ciencia y Tecnología : Leah Tiscione

LIGO consta de dos instalaciones en forma de L, una cerca de Hanford, Washington, y la otra cerca de Livingston, Louisiana. A las 5:51 a.m. (EDT) del 14 de septiembre de 2015, ambos laboratorios captaron la firma de ondas gravitacionales de dos agujeros negros en colisión, poco después de que se encendieran ambas instalaciones después de cinco años de actualizaciones intensivas.

Una serie de ondas gravitacionales de una galaxia distante primero pasó a través del detector Livingston, luego solo 7 milisegundos después pasó a través del detector en Hanford. Ambos instrumentos disparan rayos láser infrarrojos a través de brazos de 4 kilómetros de vacío casi perfecto. La luz láser se refleja en los espejos de cuarzo ultrapuros, súper pulidos y sísmicamente aislados. Las ondas gravitacionales que pasaban alteraron ligeramente las longitudes del camino en los brazos de ambos detectores en aproximadamente 1 / 1, 000 del ancho de un protón. Ese ligero cambio creó un patrón de interferencia característico en la luz láser, un evento que los científicos de LIGO han denominado GW150914.

LIGO no vio toda la danza de muchos años del dúo de agujeros negros, pero sí vio los últimos ciclos de la espiral de la muerte, la fusión en sí misma y el efecto "resonante" cuando el agujero negro fusionado se instaló en su nueva forma.
BP Abbott y otros, "Observación de ondas gravitacionales de un agujero negro binario", cartas de revisión física

Basado en la amplitud de la señal (es decir, la altura de la onda gravitacional), los miembros del equipo estiman que los agujeros negros en colisión tenían masas de aproximadamente 36 y 29 soles, respectivamente. Milisegundos antes de fusionarse, estos gigantes giraron alrededor del otro casi a la velocidad de la luz. LIGO observó las tres fases predichas de la colisión: la espiral de muerte de los agujeros negros y la fusión asegurada, así como el sonido del objeto combinado a medida que se asentaba en su nueva forma.

Estas son las ondas gravitacionales reales detectadas por LIGO, primero en Livingston y luego una fracción de segundo después, en el detector Hanford.
LIGO

El agujero negro fusionado contiene alrededor de 62 masas solares, por lo que son tres masas solares cortas: las ondas gravitacionales se llevaron la energía de tres masas solares.

La diferencia minúscula en los tiempos de llegada de las olas a las dos instalaciones fue exactamente lo que se esperaba para las ondas gravitacionales, que viajan a la velocidad de la luz. El equipo de LIGO reclama una detección de 5.1 sigma, lo que significa que las probabilidades de que la señal ocurra por casualidad son de aproximadamente una en 3.5 millones.

Con solo dos detectores, LIGO no puede determinar la ubicación exacta de la fuente o la galaxia anfitriona: podría provenir de cualquier lugar dentro de unos 600 grados cuadrados de cielo, en algún lugar cerca de la Gran Nube de Magallanes en el cielo del Hemisferio Sur. Tampoco pueden determinar exactamente su distancia, pero las mediciones muestran que la fuente se encuentra entre 700 millones y 1, 6 mil millones de años luz de distancia.

El comienzo de este video (a las 0:07) muestra una simulación demasiado breve de la fusión de los agujeros negros y la deformación extrema del espacio-tiempo a su alrededor:

Una nueva ventana en el cosmos

Un técnico de LIGO comprueba la óptica del detector en busca de contaminantes iluminando sus espejos.
LIGO

La detección directa de ondas gravitacionales abre un espectro completamente nuevo que no involucra ninguna forma de luz. "Es un espectro que contiene tipos completamente nuevos de información que hasta ahora han sido en gran medida invisibles", dice el físico Robert Owen (Oberlin College).

O, como dice Eric Katsavounidis (miembro del equipo MIT y LIGO), "Este es el final de la era de la película muda en astronomía".

Anteriormente, los radioastrónomos que estudiaban pares de estrellas de neutrones, los restos aplastados y giratorios de estrellas masivas, habían revelado evidencia indirecta convincente de ondas gravitacionales. La teoría general de la relatividad de Einstein dice que las ondas gravitacionales deberían arrastrar la energía orbital y, de hecho, las órbitas de estos púlsares giran hacia adentro exactamente a la velocidad que predice la relatividad. Joseph Taylor y Russell Hulse compartieron el Premio Nobel de Física de 1993 por descubrir el primero de estos sistemas.

Pero la detección directa sigue siendo difícil debido a la increíble dificultad de capturar ondas gravitacionales. La fusión de binarios que involucran agujeros negros o estrellas de neutrones genera grandes cantidades de energía. "¡En términos de ondas gravitacionales, durante ese milisegundo antes de la fusión, este sistema binario de agujero negro era 'más brillante' que todo el resto del universo combinado!", Dice Owen. De hecho, los cálculos posteriores dicen que en su apogeo, el negro en fusión estaba generando 50 veces más energía que el resto del universo.

Cuando dos agujeros negros giran en una órbita mutua, irradian ondas gravitacionales, pierden energía orbital y giran en espiral una hacia la otra. El concepto de este artista retrata las ondas radiantes en una superficie de espacio-tiempo 2D para que podamos imaginarlo mejor.
Producciones Astronómicas de Swinburne

Pero las ondas son increíblemente difíciles de detectar porque la gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza, la fuerza de las ondas disminuye bruscamente a medida que atraviesan el espacio y porque la materia apenas siente la presencia de ondas gravitacionales. "Las ondas gravitacionales de una galaxia distante que son detectables por LIGO están apretando y estirando la Vía Láctea con el ancho de tu pulgar", dice Chad Hanna (miembro del equipo científico de LIGO) (Penn State University).

El experimento LIGO de $ 500 millones financiado por la Fundación Nacional de Ciencias ha estado buscando ondas gravitacionales desde 2002. Pero solo recientemente, después de una reconstrucción y rediseño de cinco años para mejorar la sensibilidad de LIGO, las instalaciones tuvieron una posibilidad realista de atrapar estos sutiles espacio-tiempo ondulaciones LIGO comenzó su primera carrera de observación "avanzada" el otoño pasado, pero las mejoras continúan y las futuras carreras tendrán al menos el doble de sensibilidad y permitirán a LIGO inspeccionar diez veces el volumen del espacio.

Los teóricos predicen que Advanced LIGO debería capturar cinco fusiones de agujeros negros binarios adicionales en su próxima carrera de observación. También esperan aproximadamente 40 fusiones binarias de estrellas de neutrones cada año que se ejecuta, y un número desconocido de señales de las fusiones y supernovas de estrellas de neutrones del agujero negro. Incluso es posible que LIGO pueda detectar cadenas cósmicas exóticas.

Las ondas gravitacionales y los experimentos diseñados para encontrarlas cubren una amplia gama de frecuencias. Este gráfico muestra algunas posibles fuentes de ondas gravitacionales, y los rangos de señal aproximados y las sensibilidades para varios detectores de ondas gravitacionales. (No todas las fuentes y detectores se enumeran aquí: vaya a la fuente para crear su propia trama).
Ciencia y Tecnología: Leah Tiscione; Fuente: CJ Moore et al. / arXiv.org 2014

La detección directa de ondas gravitacionales representa otro triunfo para Einstein, casi exactamente 100 años después de que él predijo su existencia y a pesar del hecho de que nunca pensó que serían detectadas. Pero a medida que LIGO construya un catálogo de eventos en los próximos años, y a medida que otros detectores avanzados se conecten en línea en Europa y Japón, los físicos analizarán las formas de onda en detalle para ver qué tan cerca se ajustan a las predicciones de la relatividad general.

Aunque esta fusión de agujeros negros fue completamente de acuerdo con las predicciones de Einstein, los científicos esperan ver eventualmente discrepancias que puedan proporcionar pistas vitales para la nueva física, lo que podría conciliar las contradicciones entre la relatividad y la teoría cuántica.

`` Las mediciones de ondas gravitacionales nos permitirán investigar directamente algunos de los eventos más violentos del universo, para medir directamente la dinámica más tumultuosa de la geometría del espacio-tiempo '', dice Owen. `` Las ondas gravitatorias nos permitirían investigar cómo se comporta realmente el espacio-tiempo en las circunstancias más radicales ''.

LIGO demostrará ser una mina de oro para los astrónomos: permitiéndoles estudiar y construir un censo de estrellas de neutrones, agujeros negros de masa estelar y otros objetos oscuros o imposibles de detectar en galaxias lejanas. Y LIGO también ofrece la tentadora perspectiva de descubrir nuevos tipos de objetos y fenómenos hasta ahora desconocidos para la ciencia.

"Queremos darnos muchas oportunidades para sorprendernos", dice Hanna. No queremos abrir una nueva ventana al universo y luego nos negamos a mirar hacia afuera porque creemos que sabemos lo que veremos. Esperamos las fuentes de pan y mantequilla, pero ciertamente esperamos que no se detenga allí.

Recursos adicionales

  • Obtenga la historia de portada profética de la edición de diciembre de 2015 de Sky & Telescope .
  • Los científicos de LIGO se mojan los pies para explicar la detección histórica :
  • ¿Qué son las ondas gravitacionales? Lea un manual de UniverseToday.com sobre el fenómeno.
  • ¿Cómo detecta LIGO las ondas gravitacionales? Piled Higher and Deeper (PhD Comics) explica:
  • ¿Qué actualizaciones hicieron posible la detección de Advanced LIGO? Lea nuestra historia sobre la primera primera observación de ALIGO en septiembre pasado.
  • ¿Quieren más? Vea un galardonado documental de 20 minutos sobre LIGO, así como una serie de videos que describen cómo funcionará el observatorio de ondas gravitacionales basado en el espacio europeo, eLISA, y más en nuestros recursos de Más allá de la página impresa.
  • Participe en la ciencia con Regístrese y obtenga el tiempo de inactividad de su computadora para ayudar a analizar los datos de ondas gravitacionales.