La teoría de la Relatividad nos afirma que el espacio, el tiempo y la gravedad están interconectados, y que nuestras percepciones siempre van a depender de la velocidad a la que nos movamos y de la presencia de masa y energía en el universo.
Por eso, cuando ocurren eventos o sucesos energéticos en el cosmos, se crean perturbaciones en el espacio-tiempo que se propagan como ondas a través del universo. Estas alteraciones se conocen como ondas gravitacionales.
Las ondas gravitacionales son perturbaciones en el espacio-tiempo. Estas se reproducen y mueven a la velocidad de la luz y se generan a raíz de eventos cósmicos altamente energéticos, tales como la colisión de agujeros negros o incluso el mismo Big Bang.
El divulgador científico, ingeniero y doctorado en física, Javier Santaolalla, explica las ondas gravitacionales con una analogía fácil de comprender: ‘El tejido espacio-tiempo en realidad es un tejido flexible que se puede doblar y se puede plegar. Igual que una lona flexible, la puedes golpear. Si la golpeas con mucha fuerza, en el tejido se genera una onda, igual que si tiras una piedra a un estanque.’.
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Teoría de Albert Einstein, ¿cómo predijo su existencia?
Albert Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales en su Teoría de la Relatividad General en 1915. En este principio, Einstein explicó la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo causada por la presencia de masa y energía
El descubrimiento se dio mientras Einstein, estudiaba sus ecuaciones sobre cómo la distribución de masa y energía en el universo afecta la geometría del espacio-tiempo. Al analizar a profundidad, el físico se percató y encontró soluciones que evidenciaban la propagación de perturbaciones en forma de ondas a través del espacio-tiempo.
Sin embargo, para ese entonces, Einstein, creia que las ondas gravitacionales eran tan débiles que sería imposible detectarlas para experimentar con ellas.
Descubrimiento de las ondas gravitacionales
Aunque no haya podido presenciar la materialización de su descubrimiento, las afirmaciones de del fisico aleman se cumplieron varias décadas después. Marcando un antes y después en la historia de la fisica.
El primer descubrimiento directo de las ondas gravitacionales ocurrió el 14 de septiembre de 2015 por los científicos del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO). Se utilizaron dos detectores gemelos ubicados en diferentes zonas estrategias de los Estados Unidos. Los científicos notaron la señal característica de una onda proveniente de la fusión de dos agujeros negros masivos a una distancia de aproximadamente 1.300 millones de años luz de la Tierra.
Desde este primer hallazgo, se abrió una nueva ventana al universo que nos ha brindado la posibilidad de ver, observar y comprender el cosmos de una forma diferente. Hasta ese entonces, la información que recibíamos del universo se fundamentaba únicamente en la luz y otras formas de radiación electromagnética. Sin embargo, las ondas gravitacionales han permitido estudiar y analizar eventos cósmicos violentos que no emiten luz.
Actualmente, se han podido detectar muchas más ondas gravitacionales, y cada una de ellas ha proporcionado información valiosa sobre la física de objetos extremadamente masivos y energéticos en el universo mientras se confirma la teoría de la Relatividad General.
¿Cómo se captaron las ondas gravitacionales?
La captación de las ondas gravitacionales se logró utilizando unos detectores altamente sensibles que se llaman: Interferómetros de LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser).
Los interferómetros se componen de dos brazos largos en forma de L, los cuales se transmiten haces de luz láser que se detectan a través de una interferencia óptica. De tal manera que cuando una onda gravitacional atraviesa el interferómetro, se registra una señal característica que permite su detección y análisis.
Hoy en día existen varios detectores de ondas gravitacionales, como el detector Virgo en Europa y el KAGRA en Japón. Todos utilizan principios parecidos, pero sus diseños varían entre sí. A pesar de sus diferencias, todos estos detectores trabajan en equipo para confirmar y validar todas las señales de ondas recibidas.
¿Cómo se producen?
Como hemos mencionado anteriormente, las ondas gravitacionales nacen como resultado de eventos cósmicos extremadamente violentos y energéticos que alteran el tejido del espacio-tiempo. Estas ondas son similares a las ondas producidas por una piedra que cae en un estanque, pero en lugar de propagarse en el agua, se difunde a través del espacio-tiempo.
Estas perturbaciones son oscilaciones que se propagan a la velocidad de la luz, llevando consigo información sobre la fuente que las generó. A medida que las ondas gravitacionales se alejan de su origen, la amplitud de la perturbación disminuye, pero sus características iniciales se mantienen. Las ondas gravitacionales son ondas de deformación del espacio-tiempo y no interactúan directamente con la materia, por ese motivo son muy difíciles de detectar.
No obstante, cuando estas ondas pasan cerca de objetos masivos, tales como la Tierra, pueden ocurrir pequeñas fluctuaciones en la distancia entre puntos separados, que pueden ser medidas por los interferómetros.
¿Qué tipos de ondas gravitacionales existen?
Conocer el tipo de onda gravitacional, puede brindar más información sobre la onda, su procedencia y a su vez, nos permite obtener información sobre los eventos cósmicos que la provocaron.
Existen dos tipos principales de ondas gravitacionales:
Ondas gravitacionales de polarización tensorial: Estas ondas se caracterizan por tener dos modos de polarización diferentes: el modo “+” y el modo “×”. Estos modos representan dos direcciones perpendiculares de oscilación de la onda gravitacional a medida que se propaga en el espacio-tiempo.
Ondas gravitacionales de polarización vectorial o escalar: Además de las ondas gravitacionales de polarización tensorial, también se ha teorizado sobre la existencia de ondas gravitacionales de polarización vectorial o escalar. Sin embargo, hasta el momento, no se han detectado directamente estas formas de polarización, y su existencia aún es objeto de investigación y estudio.
Imágenes de ondas gravitacionales
En este caso, las imágenes de las ondas gravitacionales no se consiguen de forma convencional, ya que, a diferencia de la luz o las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales no pueden ser captadas por el ojo humano, ni por las cámaras fotográficas.
Por lo tanto, en este escenario se emplean interferómetros para obtener una señal que revela la presencia y características de las ondas gravitacionales, lo cual representa la aproximación más cercana a lo que seria la imagen de una onda.
La información que se obtiene se representa a través de gráficos o espectrogramas que muestran las fluctuaciones de la señal en función del tiempo y la frecuencia. A pesar de no ser imágenes visuales directas, los datos y esquemas que brindan los detectores ayudan a los científicos en el momento de identificar y analizar las propiedades de la onda
Aunque no se pueden obtener imágenes visuales directas de las ondas gravitacionales, la información recopilada mediante estos detectores proporciona datos valiosos sobre los eventos cósmicos que las generaron.
Barry Barish, Rainer Weiss y Kip Thorne, premios Nobel en 2017
Barry Barish, Rainer Weiss y Kip Thorne son reconocidos mundialmente como los laureados con el Premio Nobel en Física en el año 2017, gracias a su gran contribución en el campo de la detección de las ondas gravitacionales.
Con su innovador trabajo y desempeño en el proyecto LIGO (Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales) marcaron el inicio de una nueva era en la astronomía y la física al permitir la observación directa de fenómenos cósmicos y así, poder confirmar la existencia de las ondas gravitacionales.
Barish, Weiss y Thorne fueron los pioneros en el diseño y construcción de los sofisticados detectores de ondas gravitacionales. Aplicando sus conocimientos y utilizando avanzadas técnicas de interferometría láser.
El reconocimiento otorgado a Barish, Weiss y Thorne con el Premio Nobel de Física de 2017 fue un tributo a su dedicación y visión científica, así como al éxito sin precedentes de sus investigaciones. Su trabajo no solo ha revolucionado la percepción del universo, sino que también ha marcado las nuevas para el desarrollo de tecnologías y métodos de investigación innovadores en el ámbito de la astrofísica y la cosmología.
Recuerda que si quieres saber más sobre este gran descubrimiento no te pierdas nuestro curso sobre relatividad numérica y ondas gravitacionales de la mano de Javier Santaolalla y Miguel Alcubierre.
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