¿Qué son las ondas gravitacionales?

Simulación de un sistema binario emitiendo ondas gravitacionales

Simulación de un sistema binario emitiendo ondas gravitacionales

En 1915, Einstein presentó su teoría general de la relatividad, en la que nos enseñó que el espaciotiempo es flexible y se deforma ante la presencia de objetos masivos como el Sol; hace unos meses celebramos los 100 años de esta espectacular teoría. Una pregunta inmediata que surge ante esta idea de un espaciotiempo flexible es ¿qué pasaría si un objeto tan masivo como para deformar el espaciotiempo se mueve rápidamente? ¿podría la agitación de objetos muy masivos generar ondas como las producidas al lanzar una piedra al agua? La respuesta es afirmativa, estas perturbaciones del espaciotiempo es lo que llamamos ondas gravitacionales. Un interesante ejercicio académico de todo estudiante de física es tomar las ecuaciones de la relatividad general y mostrar que una perturbación del espaciotiempo plano (equivalente a la hoja cayendo en la superficie de una posa de agua) se propaga en todas direcciones a la velocidad de la luz y que el campo gravitatorio obedece la llamada ecuación de ondas. Estas ondas gravitacionales son la única predicción de la teoría de Einstein que falta confirmar. La dificultad para observarlas es que se necesita agitar rápidamente una masa enorme para generar una onda gravitatoria, por lo cual es algo imposible de hacer de manera artificial en un laboratorio. Otro motivo es que sus efectos serían muy pequeños y por ello muy difíciles de medir.

Como analogía, imaginemos un mosquito caminando sobre la superficie del agua en una laguna. El mosquito sólo puede moverse en dos dimensiones espaciales (adelante/atrás y derecha/izquierda). Supongamos ahora que arrojamos una piedra al agua lejos del mosquito. Como es de esperar círculos en la superficie del agua se propagarán desde el lugar donde cayó la piedra, esto es una onda en la superficie del agua. En algún momento esta onda llegará a la región donde se encuentra el mosquito; allí la perturbación en la superficie moverá al mosquito hacia arriba y abajo al pasar.
Las ondas gravitacionales funcionan de manera parecida. Aunque a diferencia del mosquito, podemos movernos en las tres dimensiones espaciales de nuestro universo (adelante/atrás, derecha/izquierda y arriba/abajo). Cuando algún violento fenómeno astrofísico produce ondas gravitacionales, éstas se propagan en todas direcciones a la velocidad de la luz; en algún momento nos alcanza en la Tierra y podemos en principio detectar su paso. Contrario al mosquito que se mueve de arriba a abajo con el paso de la onda en el agua, una onda gravitacional al pasar a través de un cuerpo produce un estiramiento y contracción alternados como el mostrado en la siguiente animación:

paso de una onda gravitacional

paso de una onda gravitacional

Es importante destacar que este efecto es minúsculo, es demasiado pequeño, lo que ha dificultado la detección de ondas gravitacionales por décadas. Este estiramiento y contracción podría amplificarse con el uso de objetos de gran extensión como una larga barra. Para confirmar que se trata de una onda gravitacional, lo óptimo sería usar dos barras perpendiculares, así cuando una se estira la otra debe contraerse, permitiendo identificar el efecto como consecuencia de una onda gravitacional y no otro fenómeno que podría darnos una falsa alarma. Aunque un par de largas barras perpendiculares es una interesante manera de buscar ondas gravitacionales, físicos han diseñado un método más preciso y avanzado para desarrollar observatorios de ondas gravitacionales usando una técnica llamada interferometría. El principio básico es el siguiente: en vez de dos barras, el haz de un láser se descompone en dos partes las que son enviadas en direcciones perpendiculares para ser reflejados por espejos al final del camino (éstos son los llamados brazos del observatorio).

Interferómetro básico

Interferómetro básico

A su regreso, ambas componentes reflejadas son recombinadas para reconstruir el haz inicial. Cualquier cambio, por pequeño que sea, en la longitud de alguno de los brazos producirá modificaciones medibles en el haz reconstruído. Esta técnica permite una continua vigilancia en la longitud de los brazos del observatorio con una precisión increíble.

Existen varios observatorios que usan la técnica recién descrita. El más famoso es LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), con dos brazos perpendiculares en forma de “L” con 4 km de longitud cada uno. LIGO es en realidad dos observatorios en EEUU ubicados en Hanford (Washington) y en Livingston (Louisiana).

LIGO

Vista aérea de LIGO en Hanford, donde se aprecian sus brazos perpendiculares de 4 km. cada uno

Otros observatorios de este tipo existen también en Alemania (GEO600), Italia (VIRGO) y Japón (KAGRA).

einsteinEinstein y las ondas gravitacionales

Luego de presentar al mundo las ecuaciones de la relatividad, Einstein se lanzó a usarlas para describir sistemas físicos, desde el movimiento de los planetas hasta la evolución del universo. Una de las soluciones encontradas por Einstein en 1916 fue que una pequeña perturbación del espaciotiempo se propagaría como una onda, así nacieron las ondas gravitacionales. Décadas más tarde Einstein consideró que esta solución podría ser no física, es decir, sólo una curiosidad matemática sin sentido físico real. En 1936 llegó incluso a escribir un artículo titulado Do Gravitational Waves Exist? (¿Existen las ondas gravitacionales?) junto a su asistente el físico Nathan Rosen, en el que creían demostrar que las ondas gravitacionales no exitían. Al enviarlo a publicar a la prestigiosa revista Physical Review, su artículo fue rechazado por tener un error, según el referee anónimo. El genio del siglo XX no pudo contener su molestia por el rechazo y el sistema de revisión de la revista estadounidense, por lo que en vez de considerar las sugerencias del referee y corregir el error decidió nunca más publicar en Physical Review y envió su artículo a una revista poco conocida, la que lo aceptó de manera inmediata.
Por suerte para el genio, su nuevo asistente llamado Leopold Infeld le describió la idea del artículo al conocido físico Howard P. Robertson, quien refutó la idea ya que contenía un error, el mismo mencionado por el referee anónimo de Physical Review. Cuando Infeld le contó sobre los detalles descritos por Robertson, Einstein cambió de opinión y modificó considerablemente el artículo, el que se publicó bajo el título On Gravitational Waves (Sobre las ondas gravitacionales). Al final de la versión modificada Einstein incluyó el comentario “La segunda parte de este artículo ha sido considerablemente modificada… ya que originalmente interpretamos erróneamente el resultado de nuestras fórmulas. Agradezco a mi colega el Profesor Robertson por su amigable asistencia en la clarificación del error original.” Décadas más tarde se supo que el misterioso referee de Physical Review que rechazó el paper original de Einstein y Rosen fue el mismo Robertson, quien a través de Infeld pudo hacer notar el error reportado por el referee sin revelar su identidad.
Más detalles de esta interesante historia pueden encontrarse en el artículo “Einstein vs. Physics Review”, publicado en Physics Today (Sep 2005) [1].

Detección indirecta de ondas gravitacionales

Es importante mencionar que los físicos estamos muy seguros de que las ondas gravitacionales existen ya que sus efectos han sido medidos de manera indirecta como la pérdida de energía en el sistema de púlsares que orbitan un centro común (a esto se le llama un sistema binario). La medición ha sido indirecta ya que no se han detectado las ondas gravitacionales pero sí se han confirmado sus efectos al ser emitidas por este sistema binario. Este descubrimiento fue realizado en 1974 por el físico Russell Hulse y su profesor Joseph Taylor. El monitoreo de este sistema binario durante 30 años se muestra en el gráfico más abajo, donde los datos experimentales sigen de manera espectacular la curva esperada por la emisión de ondas gravitacionales en el contexto de la relatividad general. Este es con seguridad uno de los gráficos más hermosos en física:

pulsar_gravitational_waves

30 años del pulsar binario B1913+16 [2]


En 1993 Hulse y Taylor recibieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

 

Anuncio de LIGO

LIGO ha llamado a una rueda de prensa para el jueves 11 de febrero para presentar una actualización en su búsqueda de ondas gravitaciones, reiniciada en septiembre de 2015 tras una actualización y mejora de muchas de sus tecnologías. Rumores señalan que LIGO anunciará la esperada observación de ondas gravitacionales con una alta significancia (descubrimiento). Aunque lo más prudente es esperar al anuncio de la colaboración por parte de su portavoz, la física argentina Gabriela González, esta vez hay esperanza de que algo grande se anuncie, en especial después de fiascos como el “descubrimiento” anunciado por BICEP2 (que resultó ser un resultado poco claro). Si se confirma el rumor será un día de fiesta para la física, sin duda un día histórico, se descorcharán botellas de champagne alrededor del mundo y comenzarán las apuestas por el Premio Nobel. Será también interesante ver a una mujer (la portavoz de LIGO) en el centro de la atención científica justo en la fecha que la ONU ha elegido para celebrar el Día Internacional de las Niñas y Mujeres en Ciencia.

Actualización (11Feb2016): LIGO anunció la observación de ondas gravitacionales producidas por la colisión y fusión de dos agujeros negros. Detalles en LIGO descubre ondas gravitacionales.

Imágenes: NASA, LIGO, ESA.

Referencias:
[1] D. Kennefick, Einstein vs. the Physical Review, Physics Today, Sep. 2005, p.43 (2005).
[2] J.M. Weisberg, J.H. Taylor, Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis, arXiv:astro-ph/0407149.

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
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17 respuestas a ¿Qué son las ondas gravitacionales?

  1. Angel Murcia Corcino dijo:

    Mas que excelente… excelentísimo, Doctor. Esperamos impacientes la actualización de su post. Saludos.

  2. Excelente post, ahora ya me queda (más) claro lo que son las ondas gravitatorias. Gracias y veremos que es lo que sucede mañana.

  3. Me resulta más que extraño, que un cuerpo masivo, moviéndose sobre al cuerpo elástico del espacio a velocidades de la mecánica clásica, pueda generar ondas gravitacionales a la velocidad de la luz.
    Muchachos, son ondas mecánicas.
    Creo que los responsables de,¨Conexión causal¨, harían bien en largar la Ginebra antes de publicar artículos.
    Rubén Ardosain

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Rubén,
      Gracias por tu comentario, sin embargo tu crítica está basada en la errónea idea de que el espaciotiempo es un medio mecánico. Esto es una interpretación incorrecta derivada de la analogía del espaciotiempo como una cama elástica, la que es deformada por cuerpos masivos. Esto es sólo una analogía, la que al ser tomada de manera literal lleva a malos entendidos como el que describes. Así como la luz, las ondas gravitacionales no son ondas mecánicas. Un saludo.

      • Hola Jorge
        Creo que es un tanto aventurado decir que no conozco o confundo la diferencia entre una cama elástica con deformaciones en dos dimensiones y un sólido elástico como el espacio con deformaciones tridimensionales.

        La primera cuestión es plantear si el Espacio es igual a la Nada.

        La nada no existe, es solo una entelequia matemática.

        espero que no seas de los que creen que antes del Big Bang, no había nada.

        Te voy a contar un secreto que me transmitió mi tío Eulogio, y comprobé en la vida, –De la nada no sale nada–

        ¿La luz viaja en la nada o viaja en un medio?

        Si el espacio es un medio entonces debemos aceptar que es algo, digamos, una substancia, substancia de la que nada sabemos, solo que es elástica.

        Desplazada la materia, vuelve a ocupar su lugar ; Si así no fuera, se habría creado una Nada ; Y la luz no viaja en la nada ; ¿O vos creés tal cosa?.

        La materia no ocupa un lugar en la nada, ocupa un lugar que estaba ocupado previamente por algo, ese algo es el Espacio.

        La materia está en constante movimiento, es una ley de la naturaleza, todo está en constantes movimientos relativos.

        Esos movimientos se hacen a velocidades de la mecánica clásica, lentas relativamente, muy lentas.

        Las grandes masas generan el campo gravitacional, por eso en el mundo cuántico, no la encuentran y sus leyes se muestran impotentes con aquello que modeló y modela el Universo, el nuestro al menos.

        Sabemos que el campo gravitacional se mueve, porque las grandes masas se mueven.

        Esto movimientos son los que provocarían las ondas gravitacionales ; Salvo que vos creas en la magia.

        No es fácil aceptar que los lentos movimientos de las grandes masas, puedan generar ondas a la velocidad de la luz ; Y no es fácil porque no es cierto.

        Lo que explica porque no existe una partícula asociada a ese campo, el huidizo Gravitron ; El mismo motivo porque no existe un Sonitron.

        Sabemos sobre los años y dineros perdidos, buscando a la inexistente partícula, y todavía continúan.

        Las partículas y sus campos asociados, son parte del reino perdido de la cuántica ; El reino residual del Caos inicial con el que se formó nuestro Universo.

        Todo esto no tiene cabida en el reino de la Gravedad cuyas leyes son totalmente diferentes a las del mundo cuántico.

        En realidad no se si vale la pena hablar de leyes, o simplemente el reino del azar, con sus probabilidades y estadísticas.

        Sabemos donde estará la Luna mañana a esta hora, sin necesidad de calcular las probabilidades.
        Las ondas gravitacionales son ondas mecánicas, no electromagnéticas.

        ¿Si Júpiter desapareciera de golpe en un estallido?

        ¿Cuanto tiempo pasaría en percibirse el cimbronazo gravitacional aquí en la Tierra?

        Sin duda veríamos desaparecer la luz que refleja Júpiter, en el tiempo que tarda su luz en llegarnos.

        ¿Estás tan seguro que el cimbronazo gravitacional llegaría al mismo tiempo?

        Pienso que tenés una fuerte confusión, confundís modelos con realidades.

        Podrías querer comerte el Menú, por no esperar o no creer en la comida verdadera.

        Creo que pensás y razonás como matemático, no como físico

        A veces la Física perdió el rumbo, pero otras lo encontró de nuevo.

        Veremos.
        Saludos

        Rubén Ardosain

  4. Joaquin dijo:

    Excelente articulo Jorge, muy claro como siempre. Saludos.

  5. Fernando dijo:

    Gracias por el articulo esta muy claro, pero igual me quedo la duda que tengo desde que leí sobre la existencia de estas ondas. ¿Como es posible medir el estiramiento o encogimiento si la “Barra” y la “Regla” que mide dicha barra están en el mismo espacio-tiempo y son afectados por igual?
    Saludos

    • Charly dijo:

      Las ondas gravitacionales constituyen fluctuaciones generadas en la curvatura del espacio-tiempo, pero lo que curva realmente es el espacio y no el tiempo, y es así como se puede medir el estiramiento y encogimiento de la barra, a través de la diferencia de tiempo que tarda en llegar la luz a los espejos receptores.
      Un saludo.

  6. Andres Soto dijo:

    La astronomía y la física son lo más hermoso de nuestra humilde especie :)

  7. Scepticus dijo:

    Conviene aclarar que Albert Einstein no fue el primer científico que predijo la existencia de las ondas gravitacionales, hace cien años. Once años antes que Einstein (el 5 de junio de 1905) el matemático Jules-Henri Poincaré ya habló de estas ondas, que él llamaba “ondes gravifiques”, ante la Academie des Sciences francesa. Véase la pág. 1507 de “Sur la dynamique de l’électron” en el enlace http://web.archive.org/web/20050127151248/http://home.tiscali.nl/physis/HistoricPaper/Poincare/Poincare1905.pdf

    En ese mismo trabajo y en otros anteriores (de 1895, 1900, 1902 y 1904), Poincaré ya había publicado las principales ideas que conforman la teoría de la relatividad especial (conocida en aquella época como “la relatividad de Poincaré y Lorentz”) y algunos de los conceptos de la relatividad general. En la mayoría de los libros y reseñas, la creación de la relatividad especial se sigue atribuyendo (erróneamente) al joven Einstein, a pesar de que éste no publicó nada sobre el asunto hasta el 26 de septiembre de 1905 (sin citar los anteriores trabajos de Poincaré). Véase también http://www.brera.unimi.it/sisfa/atti/1998/Giannetto.pdf

    Saludos.

    • Sin duda la historia es lo que está escrito, lo que no sabemos es si sucedió así.
      Einstein le robó un poquito a todos, y nunca citó a nadie.
      Un enfermo de fama.
      Nadie podrá cambiar eso, pero así es el mundo.
      Rubén Ardosain

      • Scepticus dijo:

        Cuando alguien criticaba las teorías de Einstein, allá por los años 20, él solía acusarle de ser “antisemita”. Así lo declaró al periódico New York Times en su primera visita a USA: que sus oponentes eran antisemitas, incluidos los que le acusaron de cometer plagio. Aunque esto era cierto en algunos casos (como en el de Paul Weyland, por ejemplo), la defensa de Albert Einstein se desmonta fácilmente al comprobar que:

        1. La teoría de la relatividad fue iniciada por científicos que no eran judíos (Larmor, FitzGerald, Lorentz y Poincaré)

        2. La relatividad fue también rechazada y criticada por algunos judíos (o descendientes de judíos) que obviamente no podrían ser antisemitas, como el físico Max Abraham y los filósofos Henri Bergson y Oskar Kraus. Este último, por ejemplo, consideraba que la relatividad era “una acumulación de falacias matemáticas”.

        Saludos.

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