Ondas gravitacionales: ¿Qué son y para qué sirven?

Las ondas gravitacionales son perturbaciones en el espacio-tiempo que, según la teoría de la relatividad, se propagan a la velocidad de la luz desde regiones donde una masa se acelera rápidamente. Estas ondas pueden originarse en diferentes fuentes, como las explosiones violentas de supernovas que causan el colapso de núcleos estelares y la formación de estrellas de neutrones o agujeros negros, la interacción entre agujeros negros, los púlsares (estrellas de neutrones en rotación) y los sistemas binarios de estrellas de neutrones que se fusionan en una sola y mueren.

 

Introducción

Aunque Albert Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales en su teoría de la relatividad general, aún no se han detectado directamente. Sin embargo, existen pruebas indirectas de su existencia. Por ejemplo, se han observado pérdidas de energía en las órbitas de los componentes de PSR 1913+16, un sistema compuesto por dos estrellas de neutrones que orbitan entre sí. Estas observaciones coinciden con las predicciones teóricas y llevaron a los estadounidenses Russell A. Hulse y Joseph H. Taylor, de la Universidad de Princeton, a recibir el Premio Nobel de Física en 1993 por su trabajo en el descubrimiento de púlsares binarios.

La detección directa de las ondas gravitacionales proporcionaría una confirmación más profunda y detallada de la teoría de la relatividad, además de abrir un nuevo campo en la astronomía al brindar información sobre el colapso estelar, la interacción de agujeros negros y la expansión del Universo. Sin embargo, detectar estas ondas representa uno de los mayores desafíos de la física experimental actual. La detección se basa en observar las tensiones en el espacio, que son cambios extremadamente pequeños en la distancia entre objetos materiales causados por las ondas gravitacionales.

Por lo general, estos movimientos son más notables cuando las distancias totales también son mayores. Según el análisis teórico, los detectores deben ser sensibles a tensiones del orden de 10-21 a 10-22, lo que equivale a un cambio en la distancia entre la Tierra y el Sol del tamaño aproximado de un átomo o menos. Estas variaciones pueden ocurrir en escalas de tiempo que van desde milisegundos hasta horas, dependiendo de la fuente que se esté tratando de detectar. El diseño de los detectores depende de la escala temporal de las señales que se buscan.

Existen varios experimentos para la detección de las ondas gravitacionales. Algunos se basan en observar las oscilaciones inducidas por estas ondas en barras de aluminio de varias toneladas enfriadas a temperaturas cercanas al cero absoluto. Joseph Weber, de la Universidad de Maryland, fue uno de los primeros en utilizar esta técnica a fines de la década de 1960. Sin embargo, las técnicas más prometedoras para crear detectores altamente sensibles implican colgar masas de varias decenas de kilos en péndulos ubicados a varios kilómetros de distancia sobre la superficie de la Tierra y utilizar interferómetros láser para medir sus movimientos.

También se pueden realizar mediciones entre satélites artificiales libres de rozamiento, separados por millones de kilómetros en órbitas lo suficientemente altas como para evitar los efectos de la atmósfera terrestre. En estos casos, se colocan dos objetos de referencia en trayectorias en ángulo y se miden los cambios en la longitud relativa de ambas trayectorias o brazos.

En los Estados Unidos, se han construido dos sistemas de detectores como parte del proyecto LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), cada uno con brazos de 4 kilómetros de longitud, uno en Washington y otro en Luisiana. En Europa, cerca de Pisa, Italia, se encuentra el interferómetro VIRGO, desarrollado conjuntamente por Italia y Francia, con brazos de 3 kilómetros. Científicos alemanes y británicos han colaborado en la construcción del GEO 600, un interferómetro más corto con brazos de 600 metros, ubicado cerca de Hannover, Alemania. En Japón, cerca de Tokio, se encuentra el interferómetro TAMA, que tiene brazos ligeramente más cortos.

Debido a las fluctuaciones gravitatorias locales, los detectores de ondas gravitacionales en la Tierra solo pueden buscar señales por encima de un hercio (1 hercio, o Hz, equivale a un ciclo por segundo). Esto permite la detección de eventos como colapsos estelares, fusiones de estrellas de neutrones en sistemas binarios y señales de púlsares, ya sea aislados o en sistemas binarios.

Sin embargo, existen muchas fuentes con frecuencias mucho más bajas, que van desde sistemas estelares binarios hasta agujeros negros masivos interactuando con la materia ordinaria, y es crucial explorar el rango de bajas frecuencias. Con el objetivo de hacer esto posible, la Agencia Espacial Europea y la NASA están considerando lanzar el LISA (Laser Interferometer Space Antenna) alrededor de 2015. Este sistema espacial utilizaría satélites y un detector interferométrico láser con brazos de 5 millones de kilómetros de longitud.

Diferencias y similitudes con ondas electromagnéticas

Por otro lado, las ondas electromagnéticas provienen de electrones individuales que realizan movimientos complejos y, en parte, aleatorios dentro de sus fuentes. Son incoherentes y los fotones individuales deben interpretarse como muestras de un gran conjunto estadístico de fotones emitidos. Sus frecuencias están determinadas por la microfísica de los electrones. A través de observaciones electromagnéticas, podemos inferir acerca de esta estructura solo mediante una cuidadosa modelación de la fuente. En cambio, las ondas gravitacionales transportan información cuya conexión con la estructura y el movimiento de la fuente es bastante directa.

Un ejemplo destacado es el de los agujeros negros supermasivos en los núcleos de las galaxias. A partir de observaciones que abarcan todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos X, los astrofísicos han inferido que los agujeros negros con masas de hasta mil millones de veces la masa del Sol es responsables de las emisiones de los cuásares y controlan los chorros que alimentan las regiones gigantes de emisión de radio.

La evidencia de la existencia de un agujero negro es muy indirecta, ya que ningún otro objeto conocido puede contener tanta masa en un volumen tan reducido. Las observaciones de ondas gravitacionales nos proporcionarían información sobre la dinámica de los propios agujeros negros, ofreciendo firmas únicas que permitirían medir sus masas y sus frecuencias de vibración. Es evidente que la combinación de observaciones electromagnéticas y gravitacionales enriquecerá numerosas ramas de la astronomía.

En cuanto a la polarización de las ondas gravitacionales, a diferencia de las ondas electromagnéticas que admiten múltiples polarizaciones, las ondas gravitacionales tienen solo dos tipos de polarización independientes. En la Teoría General de la Relatividad de Einstein, las ondas gravitacionales solo admiten polarización plus y polarización cruzada, y el ángulo entre ambas es de π/4.