[Nobel Fisica 2017] Que son las ondas gravitacionales?

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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

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

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) .

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 ).
Einstein 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 ) .
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:

30 años del pulsar binario B1913+16

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