Ondas gravitacionales, ¿por qué son tan importantes?

Las ondas gravitacionales o gravitatorias son un gran éxito tras un largo siglo de investigaciones de la física experimental. Si estás aquí es porque todavía no entiendes qué son, cómo se producen o cuál es su importancia. ¡Keep calm porque aquí lo entenderás todo!

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Las ondas gravitacionales son perturbaciones del propio tejido espacio-tiempo producidas por eventos muy masivos. Al ser perturbaciones, podemos tratarlas como ondas.

Cuando hablamos de ondas nos referimos a perturbaciones que se propagan por el espacio. En la naturaleza existen dos tipos fundamentales de ondas (según su propagación): mecánicas y electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas, o luz, son aquellas que no necesitan de ningún medio para propagarse, sin embargo, las ondas mecánicas necesitarán necesariamente de un medio para ello. Un ejemplo claro de onda mecánica es el sonido.

En esta imagen aparece la diferencia entre ondas electromagnéticas (luz) y ondas mecánicas como las ondas gravitacionales.
Diferencia gráfica ente ondas mecánicas y electromagnéticas

Las ondas gravitacionales, al igual que el sonido, son ondas mecánicas ya que necesitarán inevitablemente del tejido espacio-temporal para propagarse.

¿Cómo se comportan?

Como ya sabes, las ondas gravitacionales son perturbaciones del tejido espacio-tiempo producidas por eventos muy violentos de nuestro cosmos. Esta propagación se produce a la velocidad de la luz y es similar a las ondas que se producen en tu bañera cuando tiras algo pesado a ella. Pongamos un ejemplo mejor:

Imagina que tienes una sábana elástica, es decir, una vez la deformas vuelve a su estado original. Pintamos dos puntos con rotulador, uno en cada esquina. Si ahora saltas sobre la sábana esta se arrugará, y los puntos parecerán estar más cerca. Por ser la sábana elástica, nada más me retire volverá a su forma original, y los puntos volverán a estar igual de separados que antes (cada uno en una esquina). Como puedes ver, el salto (movimiento violento) ha hecho que la distancia entre ambos puntos varíe considerablemente durante un determinado período de tiempo.

Lo mismo pasa con ondas gravitacionales, su propagación por el espacio puede modificar las distancias entre diferentes cuerpos.

Simulación de la propagación de ondas gravitacionales

De esta forma, todos los cuerpos con masa del universo que interactúen gravitacionalmente con otros producirán ondas gravitacionales. Estas serán tan débiles que no tendríamos forma de detectarlas experimentalmente, ya que la fuerza gravitatoria es la más débil de las cuatro fundamentales.

¿Qué produce ondas gravitacionales?

La fuente principal de ondas gravitacionales son eventos suficientemente energéticos capaces de producir tales perturbaciones que deforman el espacio-tiempo a su paso.

Lo que LIGO ha detectado hasta ahora:

  • GW150914: siendo la primera detección de la historia de ondas gravitacionales. Hablamos de la fusión de dos agujeros negros de una masa aproximada a 30 soles (cada uno) y a una distancia de millones de años luz.
  • GW170814: también procedente de una fusión binaria de agujeros negros a una distancia de unos dos mil millones de años luz.
  • GW170817: primera detección de dos estrellas de neutrones en pleno colapso orbital.
  • GW190521: se detecta la fusión de dos agujeros negros cuya masa total es la más alta observada hasta ahora. Un agujero negro con una masa 85 veces la solar fusiona con otro cuya masa es 66 veces la solar. Cabría esperar que el agujero negro resultante de la fusión tuviese una masa 151 vece la solar (suma de ambos) pero es incorrecto. La masa del agujero negro final es de 142 masas solares, ya que la energía correspondiente a las 9 masas solares aproximadamente que faltan, se propagaron a lo largo del espacio en forma de onda gravitacional. El evento se sitúa a siete mil millones de años.
En esta imagen se muestra el momento justo en el que dos estrellas de neutrones están a punto de fusionarse, a su vez produciendo ondas gravitacionales
Momentos antes de la colisión de dos estrellas de neutrones

Resumiendo, los candidatos astronómicos capaces de producir estas perturbaciones son, hasta ahora, agujeros negros y estrellas de neutrones.

Predicciones teóricas

La historia sobre este tipo de eventos se remonta a 1916 con la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. Él defendía que los procesos más violentos del cosmos deberían liberar parte de sus respectivas masas en forma de perturbaciones que se propagarían por el propio espacio-tiempo: ondas gravitacionales.

Einstein pensaba que este tipo de perturbaciones no podían ser captadas desde la Tierra. Fue unos años más tarde, en 1965, cuando Joseph Weber aparece con una idea muy innovadora la cual, según él, le permitiría detectar algunas de estas ondas.

El aparato que desarrolló Weber fue un gran detector de aluminio, el cual se encontraba aislado para evitar cualquier tipo de ruido. Si una onda gravitacional barría la Tierra, su detector debería ser capaz de medirlo. La pena para Weber fue que no tuvo en cuenta la precisión necesaria para detectar este tipo de fenómenos (de un orden menor que el núcleo atómico).

En esta imagen se muestra el primer detector de ondas gravitacionales creado por Joseph Weber.
Primer detector de ondas gravitacionales por Joseph Weber

Por último, en 1984 y de la mano de Kips S. Thorne (al que todos conocéis por Interestelar), se comienza con el proyecto de LIGO. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory está compuesto por un interferómetro tan sensible que será capaz, en 2015, de detectar por primera vez ondas gravitacionales.

LIGO

LIGO es un observatorio de detección de ondas gravitacionales. Fue desarrollado gracias a Kips S. Thorne del Instituto Tecnológico de California (Caltech) y Rainer Weiss con el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Los costes de esta innovadora construcción aspiraron a 365 millones de dólares.

El proyecto consta de dos observatorios:

  • Observatorio de Livingston (Luisiana). Consiste en un interferómetro láser de dos brazos perpendiculares (formando una L) con un recorrido óptico de 4km. La sensibilidad del detector es de 1/1000 parte del tamaño de un protón.
  • Observatorio de Hanford (Richland). Posee un interferómetro igual que el anterior pero con un recorrido de 2km. La sensibilidad es la mitad que el anterior (ya que su recorrido disminuye a la mitad)
En esta imagen aparece LIGO, el gran detector actual de ondas gravitacionales.
Imagen de LIGO

Que existan dos observatorios es sinónimo de fiabilidad, reduciendo así la posibilidad de encontrar falsas detecciones producidas por ruido local.

¿Cómo funciona un interferómetro láser?

Empecemos con una imagen por delante:

en esta imagen aparece el interferómetro láser, ayudante en la detección de ondas gravitacionales
Interferómetro láser

Un haz de luz pasa hacia el interferómetro donde se separa en dos haces, formando entre ellos un ángulo de 90º. Ambos haces viajan en direcciones distintas hacia sus respectivos espejos, donde rebotarán y volverán a pasar por el interferómetro.

Una vez llegan a este, los haces se suman (por el principio de superposición) y en el caso de no haber ninguna perturbación esa suma dará cero, ya que los valles de un haz coinciden con los picos del otro. Por el contrario, si pasa una onda gravitacional por uno de los haces, este cambiará su longitud en un instante determinado, por lo que cuando los dos haces de luz se recombinen en el interferómetro su respectiva suma no dará cero (al haber cambiado su longitud uno de ellos, ya no coinciden).

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