¿Qué son las Ondas Gravitacionales?

El jueves, 11 de Febrero de 2016, los responsables del experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) han convocado a la prensa para poner al día a la comunidad científica sobre los esfuerzos para detectar las ondas gravitacionales. La expectación entre la comunidad científica es grande ya que puede ser uno de los resultados experimentales más esperados en los últimos 100 años. Pero, ¿qué son las ondas gravitacionales?, ¿qué es LIGO?  Vamos a intentar responder a esas preguntas en esta entrada...

LIGO Livingston. Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab

LIGO Hanford. Credits: Caltech/MIT/LIGO Lab

Una onda es la propagación de una perturbación a través del espacio. Decimos que un medio está oscilando cuando una propiedad del mismo (la presión, la densidad, ...) varía con el tiempo. De manera muy simple, si esa propiedad es el campo gravitatorio, tenemos una onda gravitacional.

Las ondas gravitacionales son una consecuencia de la teoría de la relatividad. La gravedad fue introducida por Newton, para el cual las interacciones se transmitían de manera instantánea. Así, si una masa cambiaba de posición, el campo gravitatorio creado por esa masa en todo el Universo se modificaba instantáneamente.

Sin embargo, la teoría de la relatividad nos dice que la información se transmite a una velocidad finita que no puede superar el valor de la velocidad de la luz. De esta manera, cuando una masa cambia de posición, el campo gravitatorio creado por dicha masa no se puede modificar de manera instantánea en todo el Universo. En dos trabajos realizados en 1916 y en 1918, Einstein demostró que cuando una masa se acelera, genera campos gravitatorios dependientes del tiempo que se propagan alejándose de dicha masa a la velocidad de la luz. Eso es una onda gravitacional. Y se propaga a la velocidad de la luz.

El problema es encontrar esas ondas gravitacionales. Puesto que la interacción gravitatoria es la más débil de todas las interacciones, sus ondas son muy, pero que muy pequeñas. Para que nos hagamos una idea, la onda gravitacional producida por el movimiento de dos agujeros negros gravitando uno en torno al otro antes de unirse en un solo agujero negro daría lugar a una onda cuyo desplazamiento sería del orden de 0,000000000000000018 metros. ¡Y eso sería una onda de las grandes!

Hasta ahora, las pruebas de la existencia de ondas gravitacionales que tenemos son indirectas. La mejor corresponde al descubrimiento y a las observaciones en 1974 del primer pulsar binario (un sistema de dos estrellas de neutrones que emiten radiación de manera periódica) por Rusel Hulse y Joseph Taylor. Lograron medir muy precisamente el periodo orbital del sistema binario y comprobaron que aumentaba con una velocidad igual a la predicha por la emisión de ondas gravitacionales indicada por la teoría de la relatividad general.

De momento, no hay medidas directas de dichas ondas gravitacionales. El proyecto LIGO es uno de los que intenta detectar dichas ondas. 

LIGO es un proyecto conjunto del Caltech y del MIT que se acabó de construir en 1999 y fue el resultado de casi 25 años de desarrollo tecnológico a nivel mundial para el diseño y construcción del mismo. LIGO está compuesto por dos interferómetros en forma de L: uno situado en Hanford, Washington y otro situado en Livinsgton, Luisiana, a unos 3000 km de distancia del primero.

Cada uno de los brazos de los interferómetros tienen una longitud de 4 km. El paso de una onda gravitacional provocaría una contracción de uno de los brazos del interferómetro de 0,000000000000001 m.

¿Qué es un interferómetro? Un interferómetro es un dispositivo en el que se hacen interferir dos ondas que han partido de un mismo punto pero que han hecho caminos distintos.

Un láser se dirige hacia un cristal semirreflectante denominado divisor del haz. Parte del rayo se dirige al espejo 1 y otra parte al espejo 2. Cuando se reflejan en los espejos los rayos vuelven al divisor del haz. El procedente del espejo 1 continúa en línea recta hasta el detector y el rayo procedente del espejo 2 se refleja en el divisor del haz y se dirige también hacia el detector. Al interferir los dos rayos se forma un patrón de líneas claras y oscuras como el siguiente:

Si alguno de los espejos se mueve, en el patrón de interferencia se observa un desplazamiento. 

Como ya hemos dicho los brazos (distancia del divisor de haz a un espejo) de los interferómetros de LIGO tienen una longitud de 4 km. Para que funcionen dichos interferómetros, el láser debería tener una potencia de 750.000 watios, algo imposible de construir hoy día. En su lugar se utiliza un láser de 200 watios y se colocan más espejos para evitar que se pierda potencia. 

Esquema de los interferómetros de LIGO. Fuente: www.ligo.caltech.edu

¿Por qué son necesarios 2 interferómetros separados 3300 km? La detección de las ondas gravitacionales es extremadamente díficil ya que hay que descartar todas los posibles movimientos de los espejos de los interferómetros debido a vibraciones del suelo por multitud de efectos que van desde el paso de un coche cerca a pequeños terremotos. Si una onda se detecta en uno de los interferómetros pero no en el otro dentro de un intervalo de 10 ms (lo que tarda la onda gravitacional en llegar de un interferómetro a otro), es onda no es gravitacional.

LIGO empezó a funcionar en 1999 y operó hasta 2010, año en el que se comenzó a construir Advanced LIGO, una versión mejorada, que acabó de instalarse en 2014. Su puesta en funcionamiento para realizar medidas fue en Septiembre de 2015. Los resultados de estas medidas son los que darán a conocer el jueves, 11 de Febrero de 2016. ¿Qué nos diran? Hay rumores de que han podido detectar ondas gravitacionales, pero ...

¡Hasta la próxima!

Bibliografía:

- "LIGO and the detection of gravitational waves" Barry C. Barish y Rainer Weiss. Physics Today, Octubre 1999.

- http://www.ligo.caltech.edu (Web de LIGO en Caltech)

- http://www.ligo.org/ (Web de LIGO Scientific Collaboration)

- https://www.advancedligo.mit.edu (Web de Advanced LIGO en MIT)

- Albert Einstein. Approximative Integration of the Field Equations of Gravitation. En Volume 6: The Berlin Years: Writings, 1914-1917. Traducción al inglés del artículo de Einstein en el que demostraba teorícamente la existencia de ondas gravitacionales.  ( http://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol6-doc/375 )