Onda gravitacional

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Por el concepto relacionado a la mecánica de fluidos véase ondas de gravedad.
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En física, una onda gravitacional es una ondulación del espacio-tiempo producida por un cuerpo masivo acelerado. Las ondas gravitacionales constituyen una consecuencia de la teoría de la relatividad general de Einstein y se transmiten a la velocidad de la luz. Hasta el momente solo se conocen evidencias indirectas de ellas, como el decaimiento del periodo orbital observado en un púlsar binario. Se ha logrado con exito detectar ondas gravitatorias primogenias mediante la medición del modo B de la polarización del fondo de microondas. Actualmente existen grandes proyectos de observatorios interferométricos que deberían ser capaces de detectar ondas gravitacionales producidas en fenómenos cataclísmicos como la explosión de una supernova cercana o una radiación de fondo gravitacional remanente del Big Bang. La detección de ondas gravitacionales constituiría una nueva e importante validación de la teoría de la relatividad general.

Las ondas gravitacionales son fluctuaciones generadas en la curvatura del espacio-tiempo que se propagan como ondas. La radiación gravitacional se genera cuando dichas ondas son emitidas por ciertos objetos o por sistemas de objetos que gravitan entre sí.

Fondo teórico[editar]

La relatividad general es una teoría de la gravedad que es consistente con la relatividad especial en muchos aspectos , y en particular con el principio de que nada viaja más rápido que la luz. Esto significa que los cambios en el campo gravitatorio no se pueden ocurrir en todas partes instantáneamente : deben propagarse. En la relatividad general se propagan a exactamente la misma velocidad que las ondas electromagnéticas de vacío : la velocidad de la luz. Estos cambios se propagan son llamadas ondas gravitacionales.

La radiación gravitatoria es una predicción central de la relatividad general y su detección es una prueba clave de la integridad de la estructura teórica de la obra de Einstein. Sin embargo , en el largo plazo , su importancia como instrumento para la observación astronómica es probable que sea aún más importante. Se tiene una excelente evidencia de observación del sistema pulsar binario Hulse -Taylor que las predicciones de la relatividad general sobre la radiación gravitatoria son cuantitativamente correcta. Sin embargo, tenemos una información incompleta de la astronomía hoy sobre las posibles fuentes de radiación detectable.

El espectro de ondas gravitacionales es completamente inexplorada , y cada vez que una nueva banda de ondas electromagnéticas se ha abierto a la astronomía , los astrónomos han descubierto fenómenos completamente inesperados. Esto me parece igual de probable que vuelva a ocurrir con las ondas gravitacionales , especialmente porque las ondas gravitacionales llevan algunos tipos de información que la radiación electromagnética no puede transmitir. Las ondas gravitacionales son generadas por los movimientos aparentes de las masas , y que codifican las distribuciones de masa y velocidades. Son coherentes y sus frecuencias bajas reflejan los tiempos dinámicos de sus fuentes.

Las ondas gravitacionales son muy débiles. Las más fuertes que se podría esperar observar en la Tierra serían generadas por acontecimientos muy distantes y antiguos, como la colisión de dos estrellas de neutrones o la colisión de dos agujeros negros súper masivos, en los cuales una gran cantidad de energía se movió violentamente. Tal onda debería causar cambios relativos en distancia por todas partes en la Tierra, pero estos cambios están en un orden de menos de una parte en 1021.

Diferencias y similitudes con ondas electromagnéticas[editar]

En contraste , las ondas electromagnéticas vienen de electrones individuales que ejecutan movimientos complejos y en parte al azar dentro de sus fuentes. Son incoherentes y fotones individuales deben ser interpretados como muestras de la gran conjunto estadístico de los fotones que se emiten . Sus frecuencias son determinadas por microfísica en ellos . A partir de observaciones electromagnéticas que podemos hacer inferencias acerca de esta estructura sólo a través de una cuidadosa modelación de la fuente. Las ondas gravitacionales , por el contrario , llevan la información cuya conexión a la estructura de la fuente y el movimiento es bastante directa.

Un buen ejemplo es el de los agujeros negros masivos en los núcleos galácticos . A partir de observaciones que abarcan todo el espectro electromagnético, desde las ondas de radio a los rayos X , los astrofísicos han inferido que los agujeros negros de masas hasta masas solares 10E9 son responsables de las emisiones de quásares y controlar los chorros que alimentan las regiones de emisión de radio gigantes. La evidencia de que el agujero negro es muy pero indirecta : no otro objeto conocido puede contener tanta masa en un volumen tan pequeño . Observaciones de olas gravitacionales nos hablarán de la dinámica de los propios agujeros , ofreciendo firmas únicas de las que se pueden identificar , medir sus masas y hace girar directamente de sus frecuencias vibratorias . La interacción de las observaciones electromagnéticas y gravitacionales enriquecerá muchas ramas de la astronomía.

Objetos emisores de ondas gravitacionales[editar]

La amplitud predicha para estas ondas y los efectos observables que podrían producir son muy débiles, de modo que su detección directa es extremadamente difícil. Si existen las ondas gravitacionales su amplitud sería muy inferior al ruido vibracional procedente de otras fuentes. Tan sólo los fenómenos más violentos del Universo podrían producir ondas gravitacionales susceptibles de ser detectadas.

Los objetos que deberían emitir ondas de gravedad detectables de manera directa son objetos muy masivos sometidos a fuertes aceleraciones o cuerpos masivos no homogéneos rotando a gran velocidad. Se espera poder encontrar ondas gravitacionales producidas en fenómenos cataclísmicos como:

  • La explosión de una supernova.
  • La formación de un agujero negro.
  • El choque de cuerpos masivos como estrellas de neutrones o la coalescencia de agujeros negros.
  • La rotación de una estrella de neutrones inhomogénea.
  • Radiación gravitacional remanente del Big Bang. Este último caso ofrecería datos únicos sobre la formación del Universo en el periodo anterior a la edad oscura del Universo en la que el Universo era opaco a la radiación electromagnética.


Primeras evidencias indirectas de ondas gravitacionales[editar]

Aunque la radiación gravitacional no ha sido aún detectada directamente, hay evidencia indirecta significativa de su existencia. En una gran cantidad de estudios astrofísicos de todo el mundo se han podido observar, en grupos de estrellas súper masivas, fenómenos que sólo pueden ser explicados con la existencia de dicha teoría.

La historia de la detección de ondas gravitacionales se inició en la década de 1960 con J Webber en la Universidad de Maryland. Se construyó el primer detector de barras: era un cilindro masivo de aluminio ( ~ 2 X 10E3 kg ) operando a temperatura ambiente ( 300 K) con una frecuencia de resonancia de aproximadamente 1600 Hz . Este primer prototipo tenía una sensibilidad moderada alrededor 10E- 13 o 10E- 14 .

A pesar de esta baja sensibilidad , a finales de 1960 Webber anunció la detección de una población de eventos coincidentes entre dos barras similares a una tasa mucho más alta de lo esperado de ruido instrumental . Esta noticia estimuló una serie de otros grupos ( en Glasgow , Munich, París, Roma , Laboratorios Bell, Standford , Rochester, LSU , MIT , Beijing , Tokio) para construir y desarrollar detectores de barras para comprobar los resultados de Weber . Desafortunadamente para Webber y para la idea de que las ondas gravitacionales eran fáciles de detectar , ninguno de estos otros detectores encontrado nada , incluso en los momentos en Webber continuó para encontrar coincidencias . Observaciones de Weber siguen sin explicación hoy. Sin embargo, la falta de confirmación de Weber era en el sentido real a las confirmaciones de la relatividad general , ya que los cálculos teóricos nunca habían pronosticado que las señales razonables serían lo suficientemente fuertes como para ser visto por los bares de Weber . Anuncios de Weber han tenido un efecto mixto sobre la investigación de ondas gravitacionales . Por un lado , han creado una nube bajo la cual el campo ha trabajado duro para restablecer su respetabilidad a los ojos de muchos físicos . Incluso hoy en día el legado de este es una cautela extrema entre los grandes proyectos, un conservadurismo que se asegurará de que el próximo reclamo de una detección será acorazado .

Por otro lado , el estímulo que Webber dio a otros grupos para construir detectores ha llevado indirectamente a la presente estado avanzado de desarrollo de detectores. Desde 1980 hasta 1994 grupos desarrollaron detectores en dos direcciones diferentes :

  • Detector de barras criogénicas: Desarrollado principalmente a Roma / Frascati, Standford , LSU y Perth ( Australia ) . El mejor de estos detectores de llegar abajo 10E- 19 . Ellos son los únicos detectores de operación continua hoy y que han realizado una serie de coincidencias conjuntas búsquedas , lo que lleva a los límites superiores , pero no hay detecciones.
  • El interferómetro , desarrollado en el MIT , Garching (donde el grupo de Munich se movió ) , Glasgow, Caltech y Tokio . La sensibilidad típica de estos prototipos era 10E - 18 . La primera observación casual de largo con interferómetros fue el experimento de Glasgow / Garching 100 h en 1989.

Este descubrimiento se considera como la demostración de la existencia de ondas gravitacionales. Por este motivo, Hulse y Taylor recibieron el Premio Nobel de Física del año 1993. Más recientemente (2005), se ha descubierto un segundo púlsar binario, PSR J0737-3039, cuyo comportamiento parece confirmar también las predicciones de la relatividad general con respecto a la energía emitida en forma de ondas gravitacionales. El púlsar binario tiene una órbita cuya distancia decae en unos 7 mm por día.

Observatorios de ondas gravitacionales[editar]

Actualmente existen diferentes proyectos de observación de ondas gravitacionales, como LIGO (Estados Unidos), TAMA 300 (Japón), GEO 600 (Alemania y Reino Unido), o VIRGO (Francia e Italia). Los más pesimistas consideran que la detección real de ondas gravitacionales sólo podrá ser realizada desde el espacio. Una misión espacial denominada LISA se encuentra en fase de estudio para constituir el primer observatorio espacial de ondas gravitacionales y podría estar operativo alrededor del 2020.


Primera Evidencia Directa de Ondas Gravitacionales detectadas desde el Polo Sur que confirmarían el modelo del Big Bang[editar]

Astrónomos del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsoniano (CFA) anunciaron, el lunes 17 de Marzo de 2014, la detección por primera vez las ondas gravitacionales que recorrieron el Universo primitivo, durante un período explosivo de crecimiento llamado inflación. Se trata de la confirmación más importante lograda, hasta ahora, acerca de las teorías de la inflación cósmica, que dicen que el cosmos se expandía por 100 billones de billones de veces, en menos de un abrir y cerrar de ojos.

Los hallazgos fueron realizados con la ayuda del BICEP2, un telescopio situado en el Polo Sur que escanea el cielo en frecuencias de microondas, donde recoge la energía fósil del Big Bang. El Universo actual surgió tras un evento conocido como el Big Bang, que tuvo lugar hace unos 13.800 millones de años. Momentos más tarde, el propio espacio comenzó a expanderse de manera exponencial en un episodio conocido como inflación. Los signos reveladores de este capítulo en la historia temprana del Universo están impresos en el cielo, en un resplandor 'reliquia' llamado el fondo cósmico de microondas.

Es ahí donde los investigadores han buscado durante mucho la evidencia más directa de esta inflación en forma de ondas gravitacionales, que aprietan y estiran el espacio, y que ahora han logrado detectar. "Pequeñas fluctuaciones cuánticas fueron amplificadas a tamaños enormes por la expansión inflacionaria del Universo. Sabemos que esto produce otro tipo de ondas llamadas ondas de densidad, pero queríamos probar si también se producen ondas gravitacionales", ha explicado uno de los responsables del trabajo, Jamie Bock. Polarización en 'modo B'

Las ondas gravitacionales están producidas por un modelo característico de luz polarizada, llamado polarización "en modo B". La luz puede polarizarse por la dispersión de las superficies, en el caso del fondo cósmico de microondas, la luz es dispersada por electrones para convertirse en poco polarizada. El equipo BICEP2 asumió el reto de detectar el 'modo B' de polarización al reunir los mejores expertos en la materia, el desarrollo de una tecnología revolucionaria y el viaje al mejor sitio de observación de la Tierra: el Polo Sur.

Como resultado de los experimentos llevados a cabo desde 2006, el equipo ha sido capaz de producir pruebas concluyentes de esta señal en 'modo B', y con ella, la evidencia, hasta ahora, más fuerte que existe sobre la existencia de la inflación cósmica. Los expertos han indicado que la clave de su éxito ha sido el uso de detectores superconductores nuevos. Los superconductores son materiales que, cuando se enfrían, permiten que la corriente eléctrica fluya libremente, sin resistencia.

Véase también[editar]