El nacimiento de la astronomía de ondas gravitacionales

Por Daniel Marín, el 12 febrero, 2016. Categoría(s): Astronomía • Física ✎ 116

Hoy es un día histórico para la ciencia. Hoy se ha anunciado la detección directa de ondas gravitacionales, una de las principales predicciones de la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. El descubrimiento nos abre una nueva ventana a la realidad que nos permitirá estudiar los sucesos más energéticos del Universo de forma totalmente diferente. Ya somos capaces de «ver» directamente algo tan sorprendente como es la fusión de dos agujeros negros situados a millones de años luz de distancia. ¿Y cuál es el aspecto de una onda gravitacional creada por la brutal colisión de dos agujeros negros? Pues ahora, al fin, podemos confirmar que tienen el siguiente aspecto:

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Ondas gravitacionales de la señal GW150914 detectadas por los dos interferómetros de LIGO (LIGO).

Después de semanas de rumores, el equipo del observatorio Advanced LIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ha confirmado que, efectivamente, el 14 de septiembre de 2015 los dos interferómetros del experimento detectaron la sutil deformación del espaciotiempo causada por el paso de ondas gravitacionales creadas por la colisión de dos agujeros a 1300 millones de años luz de la Tierra, uno de 36 masas solares y otro de 29. La fusión creó un nuevo agujero negro de 62 masas solares, o lo que es lo mismo, emitió nada más y nada menos que el equivalente a 3 masas solares en forma de ondas gravitacionales. Los dos instrumentos, uno situado en Livingston (Louisiana) y el otro en Hanford (Washington), detectaron la misma señal, denominada GW150914, con un intervalo de siete milisegundos de diferencia, confirmando de paso que las ondas se mueven a la velocidad de la luz, tal y como había predicho Einstein.

Un hecho que ha pasado desapercibido en las noticias de la mayoría de medios es que la señal GW150914 confirma también por primera vez la existencia de los agujeros negros. Hasta ahora las únicas pruebas directas de la existencia de estos astros era su efecto en otros objetos astronómicos como estrellas o gases, pero todas ellas eran bastante discutibles. Sin embargo, esta señal es una prueba inequívoca de que son reales, pues solo dos agujeros negros estelares son capaces de producir las ondas gravitacionales observadas.

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Modelo numérico de la señal GW150914. La escasa separación entre los objetos es una prueba inequívoca de que se trataba de agujeros negros (Abbott et al.).

La fusión de estos dos agujeros negros fue tan increíblemente violenta que durante un momento emitió más energía que la luz combinada de todas las estrellas del Universo juntas (!!). El patrón de las ondas detectadas concuerda casi perfectamente con los modelos teóricos. Y no es una cuestión trivial, porque en las últimas décadas habían surgido varios modelos teóricos alternativos que predecían ondas ligeramente distintas a las predichas por la Relatividad General. De hecho, la señal es tan «perfecta» que los investigadores de LIGO pensaron en un primer momento que era una «inyección», es decir, una señal falsa introducida en el sistema para comprobar que el personal y los equipos del detector están alerta.

Como se ve en las imágenes, la longitud de onda de las ondas disminuye a medida que los agujeros se acercan, al mismo tiempo que su amplitud aumenta hasta culminar en la brutal fusión final. Midiendo la intensidad de la onda, los investigadores han determinado que el suceso se produjo a una distancia de entre 750 y 1860 millones de años luz. En cuanto a la posición, los dos detectores de LIGO no tienen la suficiente resolución espacial como para determinar de dónde procede exactamente la señal, pero se puede estimar de forma aproximada como vemos en la siguiente imagen:

Región del cielo de donde pudo venir la señal ().
Región del cielo de donde pudo venir la señal ().

Vídeo a cámara lenta reconstruyendo la fusión de los dos agujeros negros que causaron la señal GW150914:

Vídeo de la apariencia aproximada de la fusión en luz visible (los agujeros negros aparecen sin discos de acreción):

El camino hasta el anuncio de hoy ha sido largo y complejo, un auténtico homenaje al tesón y la fuerza de voluntad del ser humano. Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales en 1916 dentro del marco de la Relatividad General, pero no sería hasta los años 60 cuando se crearon los primeros detectores. Fue entonces cuando Joseph Weber ideó un instrumento con masas suspendidas que debían vibrar al paso de una onda gravitacional. Lamentablemente, estos primeros instrumentos eran muy poco sensibles para detectar nada. Todo cambió en 1974 cuando Joseph Taylor y Russell Hulse detectaron de forma indirecta las primeras ondas gravitacionales emitidas por una pareja de estrellas de neutrones. «¿En 1974? Pero ¿no habíamos dicho que es ahora cuando se habían descubierto estas ondas», puede que se pregunte más de uno. Sí, pero fíjate que hemos dicho de forma «indirecta». El sistema binario de estrellas de neutrones PSR B1913+16 se acerca cada vez más al perder energía en forma de ondas gravitacionales y, gracias a que somos capaces de medir su periodo orbital con enorme precisión, es posible comprobar que el ritmo de acercamiento concuerda con lo predicho por la Relatividad General. O sea, una prueba indirecta. Pero lo importante es que PSR B1913+16 demostró a la comunidad científica que las ondas gravitatorias estaban ahí. Ahora había que detectarlas.

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Funcionamiento simplificado de LIGO (Abbott et al.).

A principios de siglo se pusieron en marcha varios detectores por todo el mundo destinados a descubrir la presencia de estas ondas, todos ellos construidos usando el principio de un interferómetro láser. El fundamento de estos instrumentos es sencillo: un haz láser se divide en dos mediante un espejo y cada uno viaja a lo largo de dos trayectorias perpendiculares de la misma longitud. Después de rebotar en un espejo al final, los dos haces vuelven a unirse en el origen y medimos si la distancia recorrida es la misma para ambos. Porque las ondas gravitacionales se caracterizan, precisamente, por distorsionar el espaciotiempo. Si una onda gravitacional pasa por el detector, este se deformará ligeramente y podremos detectar su presencia teniendo en cuenta que la longitud de los dos brazos ya no será la misma.

Ni que decir tiene, la deformación es tan minúscula que es necesario usar al menos otro detector similar para comprobar que la señal es real y no se debe al ruido del instrumento (hay que tener en cuenta que los movimientos sísmicos o el tráfico que pasa cerca del detector generan una distorsión de mayor intensidad que cualquier onda gravitacional real). Usando este diseño, en Estados Unidos se creo el experimento LIGO, el GEO600 en Alemania, el Virgo en Italia y el TAMA 300 en Japón. Desde 2002 estos detectores comenzaron a observar el Universo con nuevos ojos, pero, para sorpresa de los investigadores, no lograron descubrir nada.

Las ondas debían existir, pero estaba claro que eran más débiles de lo predicho por los modelos más optimistas. O quizás las fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros -los fenómenos más energéticos que pueden descubrir estos instrumentos- eran menos frecuentes de lo esperado. En cualquier caso, solo había dos opciones: esperar más tiempo y aumentar la sensibilidad de los instrumentos. LIGO, formado por dos detectores dotados de sendos brazos de 4 kilómetros de longitud cada uno, decidió mejorar sus instalaciones para crear Advanced LIGO -o AdvLIGO-, capaz de detectar con mayor probabilidad las ondas gravitacionales de fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones, púlsares deformados o supernovas. En 2015 Advanced LIGO comenzó sus operaciones, esperando encontrar distorsiones superiores a la millonésima parte del tamaño de un protón (!!!).

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Recreación de la señal GW150914 (LIGO).

Los resultados negativos de los interferómetros terrestres tipo LIGO hicieron que muchos investigadores criticasen el gasto de esta iniciativa (1100 millones de dólares en los últimos 40 años) y comenzasen a apostar seriamente por otra técnica, denominada PTA (Pulsar Timing Array). Este método, completamente distinto e independiente de los inteferómetros terrestres, consiste en usar la señal emitida por varios púlsares -estrellas de neutrones que emiten señales de radio muy precisas al girar- como detectores de ondas gravitacionales. Sin embargo, finalmente ha sido LIGO el que se ha llevado el gato al agua, aunque si Advanced Virgo hubiera estado funcionando el día de la detección probablemente también hubiera descubierto la señal. Además de la GW150914, durante el primer mes de operaciones AdvLIGO también detectó otra señal, LVT151012, mucho más débil. Todavía no está claro si se trata de una señal real o no. La gran pregunta es, ¿se trata GW150914 de una señal poco frecuente o es algo común en el Universo? Todavía no lo sabemos. El objetivo principal de LIGO y los demás detectores es precisamente medir la frecuencia de estos sucesos tan energéticos.

Detector LIGO de Livingston (LIGO).
Detector LIGO de Livingston (LIGO).

Además de fusiones de agujeros negros, LIGO y sus hermanos deberán ser capaces de detectar en el futuro colisiones de estrellas de neutrones o sistemas binarios formados por estas estrellas. Del mismo modo que la astronomía tradicional estudia todo el espectro electromagnético mediante multitud de instrumentos distintos, los interferómetros terrestres solo son capaces de observar un «color» de las ondas gravitacionales. Para observar otras longitudes de onda necesitamos detectores distintos. El interferómetro espacial europeo eLISA podrá detectar en el futuro ondas gravitacionales de mayor longitud de onda -correspondientes, por ejemplo, a sistemas binarios de enanas blancas o fusiones de agujeros negros supermasivos-, mientras que la técnica PTA de la que hablamos más arriba podrá ser sensible a longitudes de onda aún mayores propias de las ondas gravitacionales primordiales o las emitidas por sistemas binarios supermasivos.

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Distintos detectores para distintas longitudes de onda de ondas gravitacionales (LIGO).

Han sido muchos años de espera, muchos más de lo previsto, pero al fin, justamente un siglo después de que Einstein predijese su existencia, ahora podemos decir que son reales. Hoy ha nacido la astronomía de ondas gravitacionales.

 

PD 1: el sonido de las ondas gravitacionales

Si «traducimos» la señal GW150914 a ondas de sonido detectables por el oído humano podemos obtener un inquietante a la par que fascinante efecto:

Ahora bien, las ondas gravitacionales no son ondas de sonido. Esto puede parecer una obviedad, pero lo recalco porque en un par de medios han llevado la analogía un pelín demasiado lejos (el sonido es una onda de presión que se desplaza por el aire, mientras que las ondas gravitacionales son una distorsión del propio tejido del espaciotiempo). También se pueden transformar en sonido las emisiones de radio procedentes de púlsares, por ejemplo, o, si me apuran, cualquier tipo de señal electromagnética, pero eso no las convierte en sonido. Y, por cierto, la señal tampoco se llama chirp. Chirp significa en inglés «gorjeo» o «pío» y es el adjetivo que se le ha dado a esta señal por su curiosa traducción sonora.

PD 2: ¿ondas gravitatorias u ondas gravitacionales? 

Originalmente escribí esta entrada usando el adjetivo gravitatorio en vez de gravitacional, este último usado por el 99% de medios. La razón es simple. Siempre he pensado que «gravitacional» es un calco del inglés gravitational y, además, no me gusta. Pero, como bien apunta el maestro César Tomé, hoy en día se ha normalizado en castellano el uso del término «onda gravitatoria» para referirse a las gravity waves de la física de fluidos. No estoy de acuerdo con esta traducción -prefiero «ondas de gravedad»-, ¿pero quién soy yo para llevar la contraria? Además, si he pasado por el aro a la hora de escribir «jupíteres calientes» en vez de «júpiteres calientes» -lo odio-, puedo superar esto. Hay que adaptarse.

Referencias:

  • B.P. Abbott et al., Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Physics Review Letters 116, 061102, 11 febrero 2016.
  • http://www.nature.com/news/einstein-s-gravitational-waves-found-at-last-1.19361
  • http://francis.naukas.com/2016/02/11/ligo-hemos-detectado-las-ondas-gravitacionales/
  • https://dcc.ligo.org/LIGO-P1500217/public/main


116 Comentarios

  1. Esperemos que no haya sido un falso positivo como en el post que dejó Irreductible a la derecha sobre una falsa detección hace cinco años y que se introdujo adrede en el sistema.

    Por lo demás, Nobel de Física seguro por esto y como dice Dani lo mejor es que los agujeros negros es que ahora sí que se puede decir que existen fuera de toda duda. A ver cuantas puertas abre esto, que no van a ser pocas.

  2. ¿A qué se debe que se diferencien claramente componentes en el sonido, un sonido más grave, como de viento, y otro más agudo, como el goteo de un grifo, al final? No es un simple aumento de la frecuencia o del volumen, son componentes distintas.

    1. Sí existen. Puede que estés confundiéndote con los agujeros negros de radio nulo, que sí se ha demostrado que no existen (una matemática cuyo nombre no recuerdo lo hizo).

    2. Al 100% no (pero es que cuentas con los dedos de una mano lo que está al 100%), pero ya no hay margen para dudar sin tener una teoría totalmente nueva completa. Es decir, dentro del modelo actual ya no hay margen para negarlos. Es muy difícil poder atribuir esta señal a otra cosa. En plan dominguero: como ha dicho Dani, hasta ahora no se podía probar que lo que veía fuesen agujeros negros, podrían ser cosas muy parecidas pero completamente distintas (en el sentido de que su velocidad de escape no fuese c, sino menor). Teniendo en cuenta que los cálculos involucrados usan los modelos de AN estándar y los datos se ajustan pues como que muy bien, tú mismo.

      Con otras palabras aún: hasta ahora dudar de los AN formaba parte de una batería escéptica de duda razonable. Ahora para dudar hay que tener bastante fe, o cuestionar completamente el modelo (o sea, lo mismo). El panorama cambia bastante.

      Si todo esto es así y se confirma en el futuro, claro.

    3. La física Laura Mersini-Houghton dice haber demostrado matemáticamente que no pueden existir agujeros negros:
      http://www.20minutos.es/noticia/2248140/0/investigadora/demuestra-matematicas/agujeros-negros-no-existen/
      http://www.unc.edu/spotlight/rethinking-the-origins-of-the-universe/

      Según ella, al colapsar una estrella lo bastante masiva como para formar el horizonte de sucesos se produce tanta radiación de Hawking que la estrella pierde tanta masa que en lugar de colapsar explosiona.

      En mi opinión de aficionado los agujeros negros se parecen más bien a burbujas de luz. En vez de tener una gran masa puntual en centro, tendría el equivalente en energía de esa masa en forma de luz. Esa luz circularía casi permanentemente, quizá durante miles de millones de años, por una esfera extremadamente cercana al horizonte de sucesos, pero sin cruzarlo.

      1. Era la matemática de la que hablaba anteriormente. Pero niega únicamente la existencia de singularidades, y no la de agujeros negros (cuerpos estelares cuya velocidad de escape sea c).

  3. Estaba pensando yo, tan bestia que ha sido el evento… ¿y no lo hemos visto con telescopios? Se han fusionado dos agujeros negros estelares que no tienen por qué estar en una región «brumosa», así que algo debería de verse. ¿No deberían de estar todos los telescopios apuntando a esa zona como locos para ver si pillan «algo»? Es que la cantidad de energía ha sido muy bestia, algo deberían de verse, ¿no? ¿O el evento ha sido tan rápido que no se espera ver nada?

    1. Para «verlo» con un telescopio tenías que estar apuntando al lugar donde se produjo el suceso, con mucha precisión.

      Me pregunto si habrá habido un destello de rayos gamma asociado con ese evento. Si no me equivoco, sí hay detectores barriendo prácticamente todo el cielo buscando ese tipo de cosas.

    2. Dependeria quizas de a donde estuviese apuntando los chorros de energia colimados, como sucede con los GRB o los Quasar, quizas no estarian apuntando hacia nuestro sistema solar.

  4. Qué las ondas gravitatorias se expandan a traves del tejido del espacio/tiempo quiere decir que este tiene una flexibilidad y otras propiedades asociadas?

  5. Después de este experimento y demostración podemos dejar de llamarla «Teoría» de la Relatividad General y cambiarle el nombre a «Ley» de la Relatividad General???……o porque la seguimos llamando Teoría si muchos experimentos ya comprueban su validez y exactitud….Saludos

    1. «La teoría científica es la forma más rigurosa, confiable y completa de conocimiento posible. Esto es significativamente distinto al uso común y coloquial de la palabra «teoría», que se refiere a algo sin sustento o una suposición»

    1. A efectos prácticos… no, no sería demasiado productivo. A ver si me explico, sí, te ahorrarías muchísimas interferencias porque no hay actividad humana en general, ni sísmica apreciable, a excepción… de todos los metoerítos que caen en la Luna y que su ausencia de atmósfera, no elimina, a eso hemos de sumarle un detalle muy importante, que no tenemos caracterizada la luna como tenemos la tierra (o partes de ella), en cuanto a sismología se refiere, con lo que habría que hacer un trabajo previo de investigación de lo más importante para que se puedieran dar por buenos los resultados y no formasen aprte de un margen de error significativo.
      Un detector tipo LIGO, no sería tal vez el mejor para instalar en la luna, pero otros tipo el eLisa tal vez si tuviesen más sentido (tampoco se mucho de como es el eLisa).

  6. A mí lo que me sorprende no es tanto que un equipo de científicos haya detectado las
    ondas gravitacionales. Lo que verdaderamente me sorprende es que, desde un princiepio,
    saben quién es el causante de tales ondas: El choque de dos aguJeros negros.
    ¿Cómo han llegado a esa conclusión? ¿Por el olor a chamusquina de la onda?

  7. Yo no me esperaba un descubrimiento así tan pronto, y parece que fuera ayer que se descubrió el boson de Higgs, creo que estamos dando un paso más hacia esa tan deseada teoría unificada. Esto se está poniendo muy emocionante. Gracias Daniel por explicarlo fuerte y claro!

  8. magnifica entrada daniel, creo que tu eres como la fisica mejoras y te perfeccionas a medida que pasa el tiempo 🙂 .Una vez dicho esto,para mi que simplemente soy un aficionado a la fisica y estos temas que tu tratas en eureka y no dispongo de los conocimientos para entrar en discusiones tecnicas, me parece sencillamente increible que despues de un siglo de investigaciones quede ya cientificamente demostrado la existencia de estas ondas gravitacionales… Cuando se refieren a A.EINSTEIN como una de las mentes mas preclaras de la humanidad y un genio avanzando a su tiempo ,es de justicia y no creo que haya nadie en el mundo que pueda rebatir esto y mas leyendo esta noticia.

    la humanidad da pequeños pasos pero importantes,los instrumentos cada vez mas sofisticados nos permiten vislumbrar un panorama realmente alentador para las proximas decadas. Quizas si »esos pequeños simios con aires de grandeza» ,como dijiste una vez, que manejan las riendas y los destinos del mundo se implicaran mas en la ciencia e invirtieran en el conocimiento podriamos llevar algo mas de ventaja pero…lamentablemente no es asi y prefieren mantener otras prioridades.

    aun asi es para estar orgulloso del teson del ser humano, aun recortado y limitado en medios.Valga desde mis feclicitaciones a todas estas personas que han hecho esto posible,desde A.EINSTEIN hasta nuestros dias y tambien para ti por divulgarnos y contagiarnos tu pasion por muchos años daniel…:)

    un saludo para todos

  9. Una reflexión sobre algo de lo que nadie ha hablado: ese desprendimiento de energía pasó con dos agujeros negros de masa estelar. ¿De qué sería capaz la colisión de dos agujeros negros «de verdad», supermasivos?.

      1. Eeeeso, un sistema de ese tipo. Aunque diste de ser una «Estrella de la Muerte», salvo para aquello que estuviera demasiado cerca, la cantidad de energía desprendida debe de ser (…). He calculado con el E=mc2 la cantidad de energía que equivale a eso, y comparada con la que produce el Sol puede que no todo el Universo, pero el visible al menos si.

  10. En el nº 162 de la revista Astronomía , diciembre 2012 , de la que es colaborador, viene un artículo de la Comisión de Terminologia de la Sociedad Española de Astronomía, en la que establece que el término apropiado es onda gravitatoria, no gravitacional que es una mala traducción del inglés.

  11. A mi hay algo que no me queda claro: la interacción de las ondas gravitacionales con las electromagnéticas. Es decir, ¿por qué las ondas gravitacionales detectadas no han «deformado» (en amplitud y/o frecuencia) también el láser? Por poner un ejemplo, queda claro que si para el experimento se usara una cinta métrica normal a lo largo de los dos brazos no obtendríamos ninguna información, pues se deformaría igual que la estructura del LIGO. ¿Por qué no pasa lo mismo con los láseres del LIGO? Disculpas de antemano por si la pregunta es muy lógica o idiota.

      1. ¿Cómo? Entonces sí que no he entendido nada de nada. ¿No se confirmó precisamente la teoría de la relatividad con el famoso eclipse de 1919 que cambiaba la posición vista desde la Tierra de las estrellas de la constelación de Tauro?

    1. La verdad es buena pregunta. No me queda muy claro como se pudo detectar. El laser recorrio el mismo espacio-tiempo solo que estirado (¿ondulado?), debería haber tardado el mismo tiempo. O no?

        1. Llevo un rato dándole vueltas a tu comentario, Daniel, pero no consigo entederlo (justico que es uno). Para no abusar, si pudieras poner algún enlace a un artículo o algo dónde entenderlo te lo agradecería mucho (inglés va bien).

          Y supongo que ya estás acostumbrado a que te lo digan, pero muchísimas gracias por la gran labor de divulgación que haces.

  12. «La fusión de estos dos agujeros negros fue tan increíblemente violenta que durante un momento emitió más energía que la luz combinada de todas las estrellas del Universo juntas»

    Todas? Seguro que «todas»… es una palabra fuertecita esa…

    Saludos Daniel, gran entrada como siempre.

  13. He visto a España ganar un mundial. Y tú que has visto chaval?

    Yo he visto el descubrimiento del Bosón de Higgs, los «paseos» del Curiosity por Marte, el aterrizaje de Philae en el cometa Churyumov, la recuperación de un Falcon 9, el descubrimiento de las ondas gravitatorias y la detención directa de los agujeros negros.

    Creo que te gano, chaval.

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Por Daniel Marín, publicado el 12 febrero, 2016
Categoría(s): Astronomía • Física