Ondas gravitatorias

Algunas ecuaciones formuladas por Einstein en 1915 predecían la existencia de un fenómeno llamado ondas gravitacionales. A finales de 2015 se detectaron estas ondas de forma directa.

Todos sabemos lo que son las ondas. Por ejemplo, las que se forman en un estanque con agua quieta cuando se tira una piedra.

En la Teoría de la relatividad, Einstein demuestra que el espacio y el tiempo no son independientes entre sí, sino que constituyen un ente único denominado espacio-tiempo. Si imaginamos estas dos variables unidas formando una membrana elástica plana bidimensional podemos adivinar que, en presencia de una masa, el espacio-tiempo se "deformará", como lo haría una membrana normal bajo el peso de una bola de billar.

Cualquier otro objeto con masa nota esa deformación, y se ve obligado a seguir trayectorias diferentes a las que seguiría si la membrana no estuviese deformada. El efecto o consecuencia de esa geometría curva del espacio-tiempo es la gravedad, y así es como la relatividad consigue explicar la famosa gravitación universal descubierta por Newton.

¿Cómo se producen las ondas gravitacionales?

Los cuerpos masivos acelerados producen fluctuaciones en el tejido espacio-tiempo que se propagan como una onda por todo el Universo. Estas son las ondas gravitatorias previstas por Einstein y ahora descubiertas.

Sólo los sucesos excepcionales en objetos cósmicos con masas enormes, como las estrellas de neutrones, los estallidos de rayos gamma o los agujeros negros, pueden producir ondas con la suficiente energía como para ser detectadas; sucesos tan potentes como, por ejemplo, la explosión de una supernova gigante o la fusión de dos agujeros negros.

Las ondas gravitatorias acortan el espacio-tiempo en una dirección, lo alargan en la otra, y se propagan a la velocidad de la luz. Nada las detiene o refleja; por eso, a diferencia de la luz y otras ondas electromagnéticas, apenas importa cuántos objetos encuentren a su paso hasta llegar a la Tierra.

¿Por qué son importantes? Algunos sucesos del Universo resultan muy difíciles de detectar de forma directa. Por ejemplo, observar agujeros negros, que no emiten luz. Sin embargo, sí pueden emitir ondas gravitatorias en ocasiones, como cuando dos de ellos chocan y se fusionan. Esto es lo que ocurrió la primera vez que se detectaron ondas gravitacionales. Puede que incluso nos expliquen qué pasó en el primer segundo del Universo, justo después del Big Bang. Se espera que este descubrimiento ayude a comprender algunas de las grandes incógnitas que todavía tienen planteadas la física y la astronomía.

¿Cómo se detectan?

El Observatorio Avanzado de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales, conocido como LIGO, constaba en 2015 de dos detectores separados por 3.000 kilómetros, en los estados de Washington y Luisiana. Cada detector estaba formado por dos haces de luz láser de cuatro kilómetros de longitud, dispuestos en ángulo recto. Al producirse una onda gravitacional, uno de estos haces de luz se alarga, mientras el otro se acorta. LIGO puede detectar diferencias de una diezmilésima parte del diámetro de un núcleo atómico.

La primera señal se captó el 14 de septiembre en los dos detectores a la vez. Provenía de una fusión ocurrida a 1.300 millones de años-luz y que consistió en el choque de dos agujeros negros cuya masa era de 29 y 36 veces la del Sol. Los dos agujeros se fundieron en uno, liberando una energía equivalente a tres masas solares, que salió despedida en forma de ondas gravitacionales. Al llegar esas ondas hasta nosotros, 1.300 millones de años después, produjeron una ligerísima perturbación del espacio-tiempo, imperceptible para todo el mundo, pero suficiente para la altísima sensibilidad de LIGO.

Los científicos Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne ganaron el Premio Nobel de Física 2017 por su trabajo en LIGO, el detector de ondas gravitacionales. El jurado los ha reconocido por un descubrimiento que sacudió al mundo. Los tres físicos estadounidenses también recibieron el Premio Princesa de Asturias por su trabajo decisivo al captar este fenómeno con el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales.

El Grupo de Relatividad y Gravitación de la UIB es pionero en España en el estudio de las ondas gravitatorias. En su página La Sinfonía del Universo ofrecen información y recursos sobre este tema.

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