Ondas Gravitacionales detectadas por LIGO

La predicción de Einstein sobre las ondas gravitacionales.

Albert Einstein predijo en 1916 la existencia de ondas gravitacionales, solamente hacia una año que había terminado la formulación de su teoría de la relatividad  general. Encontró que sus ecuaciones del campo gravitatorio describían una solución en forma de ondas en el espacio-tiempo viajando a la velocidad de la luz. Así que predijo su existencia justamente hace 100 años ahora. Aunque Poincare en 1908 había sugerido que los planetas en sus órbitas van perdiendo energía debido a la emisión de ondas en el campo gravitacional y esto podría explicar la precesión anómala de Mercurio.

Einstein había demostrado que la materia curva el espacio-tiempo, así que por analogía con el electromagnetismo, donde una carga acelerada produce ondas electromagnéticas, una masa acelerada tendría que producir ondas gravitacionales en el espacio-tiempo, aunque sus efectos son muy débiles. El descubrimiento de ondas gravitacionales era muy difícil y la teoría avanzaba muy despacio.

La existencia de ondas gravitacionales se había convertido un tema controvertido. El propio Einstein no estaba del todo convencido y cambió de pensamiento en 1936. En un articulo enviado a la revista Physical Review, escrito conjuntamente con Nathan Rosen, decía que no podían existir ondas gravitacionales. El articulo llevaba por título “Existen las Ondas Gravitacionales?” (Do Gravitacional Waves Exist?), al mismo tiempo Einstein escribía una carta a su amigo Max Born diciendo, “..he llegado al interesante resultado que las ondas gravitatorias no existen,..”

Pero, curiosamente, el articulo enviado a Physical Review no fue aceptado para su publicación. El revisor no era otro que el cosmólogo Howard Percy Roberston y encontró un error en el argumento de Einstein y Rosen. El editor rechazó su publicación y Einstein se enfado mucho y nunca más volvió a publicar en Physical Review.

Einstein y Rosen habían intentado obtener una formula para ondas gravitacionales planas y encontraron una singularidad, un lugar donde las cantidades se volvían infinitas. Este resultado no tenia ningún sentido físico y Einstein concluyó que no podían existir las ondas gravitacionales.

Einstein reenvió el artículo a Journal of the Franklin Institute, pero antes que fuera publicado, el propio Einstein encontró el error e informo a los editores que cambiaría el articulo, lo titulo “Sobre las Ondas Gravitacionales” (On Gravitacional Waves). Finalmente el articulo publicado presentaba una solución de las ecuaciones de la relatividad general usando otro sistema de coordenadas, obtenía ondas gravitacionales cilíndricas en donde no aparecían las singularidades, justo como Roberston había sugerido. Así pues, el articulo donde Einstein decía que las ondas gravitacionales no podían existir nunca se publicó.

Detección de Ondas Gravitacionales

En 1974 Russell Hulse and Joseph Taylor descubrieron un nuevo tipo de pulsar, el PSR 1913 +16 formado por una estrella de neutrones giraba sobre si mismo 17 veces por segundo, esto es un periodo de 59 milisegundos. Al mismo tiempo que gira en torno a otra estrella respecto su centro de masas, se trata pues de un sistema binario. Observaciones posteriores realizadas por Taylor y Weinberg de este sistema indicaron una disminución del periodo orbital de aproximadamente 76 millonésimas de segundo por año, producido por la emisión de ondas gravitacionales, aunque estas nunca fueron detectadas.

La detección de las ondas gravitacionales empezó a ser algo prioritario, pues parecía que había señales de su existencia. En 1972 empezaron los diseños de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) y su construcción empezó en 1994 con un coste de 272 millones de dólares. 

LIGO son un par de instrumentos gigantes situados en Hanford (Washington) y Livingston (Louisiana) que pueden observar la variación de longitud del espacio en una parte en 10²¹ , esto significa que puede medir la expansión o contracción de la Tierra con una precisión del tamaño del núcleo atómico.

LIGO lo que hace es observar la variación en tamaño de dos brazos o tubos en forma de L, cada uno de 4 km, donde por su interior se introduce un rayo láser. Mediante espejos se consigue reflejar el láser hasta hacerlos coincidir en un detector. A este sistema se le denomina interferómetro. Cuando las ondas gravitacionales pasan estiran un brazo y encogen el otro, pudiendo ser observada esta diferencia. La comparación entre las longitudes de los dos brazos tiene una precisión de 1/10.000 el tamaño de un protón. Por supuesto todos los posibles movimientos debidos a efectos sísmicos, ruido del tráfico, efectos de las olas al chocar contra la costa, etc son tenidos en cuenta.

En el siguiente video se muestra claramente

Observación de Ondas Gravitacionales

El 14 de septiembre de 2015 a las 4:50 a.m en Louisiana y 2:50 a.m en Washington los sistemas automáticos de LIGO detectaron una señal oscilante. La oscilación empezaba a una frecuencia de 35 Hz y subía a 250 Hz antes de desaparecer 0,25 segundos después.

El aumento de frecuencia coincide con la idea de dos agujeros negros masivos girando uno entorno del otro y la diferencia de 0,007 segundos entre la señal de Louisiana y Washington es el tiempo que tarda la luz en recorrer la distancia que separa a los dos detectores.

Comparando estos resultados con las simulaciones por ordenador se puede observar que concuerdan con la hipótesis que la onda gravitacional proviene de dos objetos de masa 29 y 36 veces la masa solar. La distancia entre estos objetos supermasivos se fue acercando y al mismo tiempo su velocidad aumentando, hasta llegar a la mitad de la velocidad de la luz y separados unos 210 km entre ellos antes de fusionarse y crear un único agujero negro de 62 masas solares. 3 masas solares menos que la suma de las masas iniciales. La masa que falta se ha convertido en energía de las ondas gravitacionales, que nos ha llegado a la Tierra después de 1300 millones de años.

Solamente la condición de agujero negro es compatible con estos resultados. De esta manera LIGO a podido detectar por primera vez presencia de agujeros negros a partir de su huella gravitacional y no por la presencia de gas extremadamente caliente emitiendo radiación mientras va cayendo al agujero negro.

Este tipo de colisiones de dos agujeros negros se había predicho teoricamente pero nunca se había observado. Es por esto que la detección de ondas gravitacionales no solamente contribuyen a fortalecer la teoría de la relatividad general, sino que es el inicio de un nuevo tipo de instrumento de observación astronómica. Si el radiotelescopio nos abrió la puerta a la observación de ondas electromagnéticas, permitiendo ver todo el espectro del universo “visible”, LIGO nos abre la puerta a la observación del espectro “no visible” de las ondas gravitacionales.

Estos videos lo explican detalladamente