Todo lo que necesitas saber sobre las ondas gravitacionales

El 11 de febrero de 2016 se produjo un anuncio histórico. Por primera vez, hemos detectado ondas gravitacionales. Es algo importantísimo porque hemos descubierto una nueva forma de observar el universo, y acaba de nacer un nuevo campo en la astronomía. No es algo que pase todos los días…

La colisión de dos agujeros negros

Dos agujeros negros orbitándose mutuamente antes de colisionar. Crédito: SXS/LIGO

Dos agujeros negros orbitándose mutuamente antes de colisionar.
Crédito: SXS/LIGO

Las ondas gravitacionales son ondas, en la fabrica del espacio-tiempo, causadas cuando un objeto muy masivo es acelerado. Cuando llegan hasta nosotros, estas ondas tienen muy poca energía y son increíblemente difíciles de detectar. Por eso, a pesar de que Einstein ya predijo su existencia (y él mismo puso en duda que pudiésemos llegar a detectarlas algún día), han tenido que pasar cien años hasta poder demostrar que el genial científico estaba en lo cierto.

Las ondas gravitacionales que ha detectado el observatorio LIGO (por sus siglas en inglés, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) proceden de dos agujeros negros que orbitaban alrededor del otro a 1.300 millones de años-luz de distancia. La colisión de dos agujeros negros (que da lugar a la aparición de uno nuevo) es uno de los fenómenos más violentos y catastróficos que tienen lugar en el universo.

Hasta ahora teníamos evidencias de que existían sistemas de agujeros negros binarios (exactamente igual que existen los sistemas de estrellas binarias). Esta detección también nos permite que ya no sea sólo una evidencia. Ahora tenemos la prueba de que esos sistemas existen y que, eventualmente, terminan colisionando y uniéndose en uno nuevo, más grande que el anterior. En este caso, los agujeros negros tenían masas de 36 y 29 veces la del Sol (respectivamente) antes de la colisión. De ella, surgió un único agujero negro con una masa de 62 veces la del Sol.

Dos agujeros negros orbitan entre sí, colisionando y uniéndose en uno nuevo
Crédito: SXS

 

 

¿Te has dado cuenta de un detalle? Las dos masas son 36 y 29. El agujero negro resultante debería tener 65 masas, así que… ¿qué ha pasado con esas 3 masas solares? La materia no puede desaparecer, así que sólo nos queda una opción, se ha convertido en energía. Esa energía fue emitida en forma de ondas gravitacionales, y estamos hablando de una cantidad inmensa. En esta colisión se liberó la misma energía que produciría el Sol en 15 billones de años (sí sí, con B).

¿Qué es una onda gravitacional?

Los objetos con masa deforman el espacio. Y eso es lo que sentimos como gravedad. Crédito: ESA/C.Carreau

Los objetos con masa deforman el espacio. Y eso es lo que sentimos como gravedad.
Crédito: ESA/C.Carreau

De momento, espero, está más o menos claro qué es lo que ha pasado, ¿no? Dos agujeros negros, a 1.300 millones de años-luz, chocaron contra el otro, se unieron en uno nuevo, y los científicos del observatorio LIGO fueron capaces de detectar las ondas gravitacionales emitidas en ese evento. Lo que, seguramente, te estés preguntando, es… vale, ¿pero qué es una onda gravitacional? ¿cómo se observa?

La teoría de la Relatividad General de Einstein nos dice que el espacio y el tiempo son dos aspectos de una misma cosa, a la que llamamos el espacio-tiempo. Puedes imaginarlo como una especie de tejido que envuelve todo, compuesto de cuatro dimensiones (tres espaciales, y una temporal). No es más que una analogía, pero nos debería servir. Aunque pensamos en la gravedad como una fuerza, que nos empuja hacia un objeto, Einstein entendió que era algo diferente. La gravedad es la consecuencia de la curvatura de ese tejido del espacio-tiempo.

Un objeto masivo distorsiona la forma del espacio y, si otro objeto se mueve a través de ese espacio curvado, se acelera. Eso es lo que llamamos gravedad. Dicho de otra manera, la materia le dice al espacio cómo tiene que curvarse, y el espacio le dice a la materia cómo tiene que moverse a través de ese espacio.

Esta imagen muestra las zonas en la que se pudo producir la colisión. Cuanto más pequeña es la región marcada, mayor es el grado de incertidumbre de que se produjese ahí. Las regiones dilimitadas en púrpura tienen una probabilidad del 90%. Crédito: LIGO

Esta imagen muestra las zonas en la que se pudo producir la colisión. Cuanto más pequeña es la región marcada, mayor es el grado de incertidumbre de que se produjese ahí. Las regiones dilimitadas en púrpura tienen una probabilidad del 90%.
Crédito: LIGO

La teoría de la relatividad general nos dice, también, que si un objeto masivo es acelerado, provocará ondas que se alejarán a medida que se mueve. Son ondas en la propia fábrica del espacio-tiempo, y hace que ese tejido que usaba en la analogía se expanda y se contraiga cuando pasa una onda. Es similar a lo que observas cuando tiras una roca en un charco y ves que su superficie se distorsiona mientras lo recorren las ondas que ha provocado.

Todo genera ondas gravitacionales. No, de verdad. Incluso dos personas bailando las generan. Pero claro, cuanto más masivo sea un objeto, y mayor sea la aceleración que experimenta, más energía tendrán esas ondas y más fácil será que se puedan detectar. La Tierra gira alrededor del Sol una vez al año, acelerada por la gravedad de nuestra estrella. Sin embargo, ese movimiento es demasiado lento como para poder detectar las ondas que emite.

Si pasamos a objetos que sean muchísimo más masivos, como las estrellas de neutrones, sí que nos encontramos ante ondas que podemos detectar. De hecho, las ondas gravitacionales ya fueron observadas en 1974… de manera indirecta. Los astrónomos Joseph Taylor y Russell Hulse descubrieron un sistema binario de estrellas de neutrones. Orbitaban en torno a la otra con mucha velocidad, completando una órbita en sólo ocho horas. A medida que van girando, esas estrellas emiten un poco de energía en forma de onda gravitacional.

El espacio y el tiempo se curvan bajo la influencia de los dos agujeros negros.
Crédito: SXS

 

 

Esa energía procede de la energía orbital de la estrella. Es decir, a medida que las estrellas de neutrones emiten ondas gravitacionales, pierden energía orbital. Provocando que la órbita encoja (ambas estrellas están un poco más cerca) y que la duración de su órbita también se reduzca. Con el paso del tiempo, ese deterioro orbital puede medirse con mucha precisión, y encajaba perfectamente con lo que predecía la relatividad general.

Por ese hallazgo, Taylor y Hulse ganaron un Premio Nobel. Habían detectado las ondas gravitacionales de manera indirecta. Habían visto cómo la pérdida de energía, al emitir las ondas, afectaba a las órbitas de las estrellas. Pero no llegaron a detectar las ondas en sí mismas.

¿Cómo funciona LIGO?

Esta imagen muestra las señales detectadas por los dos observatorios LIGO en Washington y Luisiana. Crédito: LIGO

Esta imagen muestra las señales detectadas por los dos observatorios LIGO en Washington y Luisiana.
Crédito: LIGO

Las ondas gravitacionales distorsionan la forma del espacio de una manera ínfima. Esa distorsión se puede medir con las herramientas apropiadas. LIGO es, en realidad, dos instalaciones. Una se encuentra en Washington y otra en Luisiana, en Estados Unidos. Ambos observatorios están formados por dos tubos gigantes (de 4 kilómetros de longitud) colocados en forma de L. Al final de cada uno de esos tubos hay un espejo.

En el punto de unión de la L hay un láser lo suficientemente potente como para emitir una señal que pasa por un espejo especial, que divide el haz y envía cada uno por un tubo. Cada espejo al final de ese tubo refleja la señal y la envía de vuelta. Como la distancia entre ambos espejos en LIGO es la misma, los dos haces interfieren con el otro al alcanzar el detector y podemos medir cómo es el patrón de esas interferencias. Lo puedes ver en este vídeo explicado (en inglés) en la propia página de LIGO.

Si una onda gravitacional pasa a través de LIGO, uno de los espejos se moverá un poco en relación al otro, y provocará un cambio en ese patrón. Es un movimiento muy pequeño, pero el detector de los láseres puede detectarlo y medirlo. ¿Cómo de pequeño? Pues tan pequeño que sólo mueve un espejo una distancia de 0,0001 veces el tamaño de un núcleo atómico… en una distancia de 4 kilómetros.

Ubicación de los observatorios LIGO construidos, en proceso de construcción y planeados. Crédito: LIGO

Ubicación de los observatorios LIGO construidos, en proceso de construcción y planeados.
Crédito: LIGO

Además, para evitar un falso positivo, y creer que hemos detectado una onda gravitacional, cuando en realidad se ha producido un terremoto muy leve, o incluso las vibraciones provocadas por un camión han afectado a alguno de los espejos, LIGO tiene esos dos observatorios a miles de kilómetros de distancia entre sí. No son ni mucho menos nuevos, empezaron a funcionar en el año 2002 pero durante ocho años no encontraron ninguna señal de ondas gravitacionales.

En 2010, las instalaciones fueron cerradas para mejorar el equipo y hacerlo mucho más sensible, y esa configuración, mejorada, comenzó a operar en septiembre de 2015. El resultado no se hizo esperar, porque la detección que han anunciado se produjo el día 14 (de hecho, el paper que publicaron el día 11 menciona que han detectado otras ondas gravitacionales más leves de septiembre a enero).

Entonces, ¿qué ha visto LIGO?

Imagina que tenemos dos agujeros negros en una órbita muy cercana entre sí. Los dos son muy masivos y están moviéndose a una velocidad muy alta (a la mitad de la velocidad de la luz, por ejemplo). A medida que giran, emiten ondas gravitacionales que se alejan de ellos a la velocidad de la luz. Orbitan y emiten ondas gravitacionales, y les pasa lo mismo que a las estrellas de neutrones de las que hablábamos antes.

Una pequeña parte de su energía orbital se convierte en energía emitida en forma de onda gravitacional y su órbita encoge, provocando que giren en torno al otro todavía más rápido. Ese cambio en su distancia orbital afecta a las ondas que emiten. La frecuencia (la cantidad de ondas emitidas por segundo) depende de a qué velocidad estén orbitando entre sí. A medida que las órbitas de los agujeros negros van reduciéndose, giran más y más rápido y la frecuencia aumenta.

Este vídeo muestra el sonido de la colisión (ese chirrido final). Primero suena en la frecuencia detectada por LIGO, y después en una frecuencia más adecuada para el oído humano.
Crédito: LIGO

 

Es un efecto imparable. Cuanto más se acercan, más rápido orbitan en torno al otro, y, en consecuencia, las ondas gravitacionales que emiten son más fuertes y más rápidas, provocando que sigan perdiendo energía orbital hasta que terminan uniéndose.

Lo que LIGO ve cuando pasa esto es la señal de una onda gravitacional, con la frecuencia en aumento constante. El sonido también es una onda, y su frecuencia es lo que interpretamos como su tono. Cuanta más alta sea la frecuencia, más alto es el tono que emite el sonido. En el caso de los agujeros negros, cuando están a punto de unirse, su frecuencia se dispara. Siguiendo con la analogía del sonido, sería como si estuviesen emitiendo una nota y, a medida que se acercan, el tono de esa nota va subiendo. Cuando la colisión es inminente, el aumento del tono es tan rápido que al final parece un chirrido.

La señal de dos agujeros negros (o dos estrellas de neutrones, o incluso dos enanas blancas) precipitándose contra el otro es un chirrido en las ondas gravitacionales. Para corroborar que no era un arteftacto, los científicos revisaron los datos en ambos observatorios, y los dos la detectaron. Primero en Washington y, después, en Luisiana, 7 milisegundos después. Ese retraso se debe al movimiento de las ondas gravitacionales moviéndose a la velocidad de la luz.

¿Y ahora qué?

Imagen aérea del observatorio de LIGO en Livingston, Luisiana. Crédito: Caltech/MIT/LIGO Lab

Imagen aérea del observatorio de LIGO en Livingston, Luisiana.
Crédito: Caltech/MIT/LIGO Lab

Aunque pueda parecer muy rimbombante, ha comenzado una nueva era en la astronomía. En algunos casos, esas ondas gravitacionales proceden de objetos que no podemos ver directamente, como la fusión de dos agujeros negros, o estrellas de neutrones binarias. En otros casos, esos objetos también emiten luz visible. Por ejemplo, una supernova puede emitir ondas gravitacionales (además de la luz visible que emiten al explotar).

Cuando dos estrellas de neutrones se unen y crean un agujero negro, no sólo emiten ondas gravitacionales, también emiten una gigantesca cantidad de energía en forma de rayos gamma, y luz visible. Esas ráfagas de rayos gamma ocurren cada día en el Universo y las vemos constantemente. Si podemos detectar sus ondas gravitacionales, los astrónomos tendrán nueva información y nuevos datos para entender estos fenómenos mejor.

Además, la detección de ondas gravitacionales será mucho más precisa en los próximos años. Por un lado, en la propia Tierra, donde ya hay planes de poner más observatorios LIGO en funcionamiento para poder definir con exactitud el lugar del que proceden las ondas gravitacionales (ahora mismo, los dos observatorios sólo son capaces de indicarnos de una manera general la dirección de la que proceden).

Por otro lado, en el espacio. En 2015, la Agencia Espacial Europea lanzó LISA Pathfinder. LISA es las siglas en inglés de Laser Interferometer Space Antenna y es, básicamente, lo mismo que LIGO, preparado para el espacio, y más potente. LISA Pathfinder es sólo una misión de pruebas para probar la tecnología necesaria. Si funciona, se lanzará el proyecto completo, que consistirá de tres detectores separados por millones de kilómetros de distancia y con una sensibilidad mucho más alta que la de LIGO.

Cada vez que hemos encontrado una nueva manera de observar el universo (ondas de radio, rayos gamma, incluso el telescopio en sí) hemos realizado grandes hallazgos. Quién sabe que maravillas nos están esperando a la vuelta de la esquina…

Referencias: Bad Astronomy, LIGO

Alex Riveiro

Amante de la astronomía. Hablo de todo lo relacionado con el universo y sus conceptos de una manera amena y sencilla. Desde los púlsares hasta la historia de la astronomía en Al-Andalus.

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7 Respuestas

  1. Aborash dice:

    Lo que no sé es como distinguen de dónde procede cada onda… Tienen que estar llegando de más sitios a la vez, no solo de esos dos agujeros negros. Y cómo hacen para que no piensen que con la misma cosa o cosas distintas.

  2. Manuel dice:

    Los efectos físicos de las ondas gravitacionales, a una distancia cercana de esa fusión, ¿Sería un notable estiramiento y encogimiento visibles de la materia circundante, no?

  3. Bonderman dice:

    Ya lo había leído, y me acordé de eso por la el video de la unión de dos agujeros negros. Por cierto, no publicaste en el blog el calendario astronómico de Febrero 2018.

  4. Tengo entendido que las ondas se mueven a la velocidad de la luz pero ¿por que sucede esto? En teoria lo que se mueve es el mismo se supone que nada impide que el espacio se mueva mas rapido que la luz

  1. 7 julio, 2016

    […] del proyecto, va a permitirnos comprender mejor los inicios del universo, ayudará a detectar ondas gravitacionales de baja frecuencia, y podrá capturar posibles señales que hayan sido producidas por […]

  2. 5 octubre, 2016

    […] años. Cuando dos agujeros negros se acercan a menos de un año-luz de distancia entre sí, emiten ondas gravitacionales, en las que se elimina más energía orbital hasta que, finalmente, se completa el proceso de […]

  3. 23 agosto, 2017

    […] muy claro qué es una onda gravitacional, o quieres refrescar el concepto, te aconsejo que leas esta entrada que hice en el momento de su descubrimiento. Como quizá sepas (o recuerdes) una onda gravitacional […]

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