¿Qué son las ondas gravitacionales?

El lunes (16 de octubre de 2017), LIGO y Virgo anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales producidas por estrellas de neutrones en colisión. Pero, ¿qué son las ondas gravitacionales? Aquí hay una explicación de Gren Ireson, Universidad de Nottingham Trent

Para comprender mejor el fenómeno, regresemos en el tiempo unos pocos cientos de años. En 1687, cuando Isaac Newton publicó su Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, pensó en la fuerza gravitacional como una fuerza atractiva entre dos masas, ya sea la Tierra y la luna o dos guisantes en una mesa. Sin embargo, la naturaleza de cómo se transmitió esta fuerza se entendía menos en ese momento. De hecho, la ley de la gravitación en sí no fue probada hasta que el científico británico Henry Cavendish lo hizo en 1798, mientras medía la densidad de la Tierra.

Avancemos rápidamente hasta 1916, cuando Einstein presentó a los físicos una nueva forma de pensar sobre el espacio, el tiempo y la gravedad. Sobre la base del trabajo publicado en 1905, la teoría de la relatividad general vinculaba lo que comúnmente consideramos entidades separadas, espacio y tiempo, en lo que ahora se llama "espacio-tiempo".

Se puede considerar que el espacio-tiempo es el tejido del universo. Eso significa todo lo que se mueve, se mueve a través de él. En este modelo, cualquier cosa con masa distorsiona el tejido del espacio-tiempo. Cuanto mayor es la masa, mayor es la distorsión. Y dado que cada objeto en movimiento se mueve a través del espacio-tiempo, también seguirá las distorsiones causadas por objetos con gran masa.

Una forma de pensar en esto es considerar a dos niños, uno más pesado que el otro, jugando en un trampolín. Si tratamos la superficie del trampolín como la tela, el niño más masivo distorsiona la tela más que la otra. Si un niño coloca una pelota cerca de los pies del otro, la pelota rodará hacia, o seguirá la distorsión, hacia sus pies. De manera similar, cuando la Tierra gira alrededor del sol, la enorme masa del sol distorsiona el espacio a su alrededor, dejando a nuestro planeta relativamente pequeño siguiendo un camino lo más "recto" posible, pero en un espacio curvo. Es por eso que termina orbitando el sol.

Trampolines: divertidos y educativos. Imagen vía cotrim / pixabay.

Si aceptamos esta analogía simple, entonces tenemos los conceptos básicos de la gravedad. Pasar a las ondas gravitacionales es un paso pequeño pero muy importante. Deje que uno de los niños en el trampolín arrastre un objeto pesado por la superficie. Esto crea una ondulación en la superficie que se puede observar. Otra forma de visualizarlo es considerar mover la mano por el agua. Las ondas u ondas se extienden desde su origen, pero se descomponen rápidamente.

Cualquier objeto que se mueva a través de la tela del espacio-tiempo provoca ondas u ondas en esa tela. Desafortunadamente, estas ondas también desaparecen con bastante rapidez y solo los eventos más violentos producen distorsiones lo suficientemente grandes como para ser detectadas en la Tierra. Para poner esto en perspectiva, dos agujeros negros en colisión, cada uno con una masa diez veces mayor que la de nuestro sol, provocarían una onda que causaría una distorsión del 1% del diámetro de un átomo cuando llega a la Tierra. En esta escala, la distorsión es del orden de un cambio de 0.0000000000001m en el diámetro de la Tierra en comparación con el cambio de 1m debido a una protuberancia de marea.

¿Para qué se pueden usar las ondas gravitacionales?

Dado que estas ondas son tan pequeñas y tan difíciles de detectar, ¿por qué hemos hecho tanto esfuerzo para encontrarlas? ¿Por qué deberíamos preocuparnos por detectarlas? Me vienen a la mente dos razones inmediatas (dejaré de lado mi propio interés en simplemente querer saber). Una es que fueron predichas por Einstein hace 100 años. La confirmación de la existencia de ondas gravitacionales, por lo tanto, proporciona un fuerte apoyo observacional para su teoría general de la relatividad.

Además, la confirmación podría abrir nuevas áreas de la física, como la astronomía de ondas gravitacionales. Al estudiar las ondas gravitacionales de los procesos que las emitieron en este caso dos agujeros negros fusionados pudimos ver detalles íntimos de eventos violentos en el cosmos.

LISA, un interferómetro láser planeado basado en el espacio, podría estudiar en detalle las fuentes astrofísicas de ondas gravitacionales. Imagen vía NASA.

Sin embargo, para aprovechar al máximo dicha astronomía, es mejor colocar el detector en el espacio. El LIGO con base en la Tierra logró capturar ondas gravitacionales utilizando interferometría láser. Esta técnica funciona dividiendo un rayo láser en dos direcciones perpendiculares y enviando cada uno por un largo túnel de vacío. Luego, los espejos reflejan los dos caminos hacia el punto donde comenzaron, donde se coloca un detector. Si las ondas son perturbadas por ondas gravitacionales en su camino, los haces recombinados serían diferentes del original. Sin embargo, los interferómetros espaciales planeados para la próxima década utilizarán brazos láser que abarcan hasta un millón de kilómetros.

Ahora que sabemos que existen, la esperanza es que las ondas gravitacionales puedan abrir la puerta para responder a algunos de los mayores misterios de la ciencia, como de qué está hecha la mayoría del universo. Solo el 5% del universo es materia ordinaria, el 27% es materia oscura y el 68% restante es energía oscura, y los dos últimos se denominan `` oscuro '' ya que no entendemos lo que son. Las ondas gravitacionales ahora pueden proporcionar una herramienta con la que explorar estos misterios de una manera similar a la que los rayos X y la resonancia magnética nos han permitido explorar el cuerpo humano.

Gren Ireson, profesor de educación científica, coordinador de investigación dentro de la escuela de educación de la Universidad de Nottingham Trent

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lee el artículo original.

Simulación por computadora de dos agujeros negros fusionados que producen ondas gravitacionales. Imagen vía Werner Benger.

En pocas palabras: una explicación de las ondas gravitacionales.