Onda gravitacional

De Wikipedia, la enciclopedia libre
(Redirigido desde «Ondas gravitacionales»)
Saltar a: navegación, búsqueda
Para el concepto relacionado a la mecánica de fluidos véase ondas de gravedad.
Wavy.gif

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 momento 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 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 que se propagan son llamados 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 correctas. Sin embargo, tenemos una información incompleta de la astronomía hoy sobre las posibles fuentes de radiación detectable.

El espectro de ondas gravitacionales es completamente inexplorado , 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 , 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 del 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 mil millones de masas solares, 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.

Evidencia experimental[editar]

Aunque la detección directa de ondas gravitacionales no se haya confirmado, hay evidencia indirecta significativa de su existencia. La historia de la detección de ondas gravitacionales se inició en la década de 1960 con J. Webber en la Universidad de Maryland, donde se construyó el primer detector de barras: era un cilindro masivo de aluminio ( ~ 2 X 10E3 kg ) que funcionaba a temperatura ambiente (300 K) con una frecuencia de resonancia de aproximadamente 1600 Hz . Este primer prototipo tenía una sensibilidad moderada de alrededor 10-13 o 10<sup-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 si la fuente fuera el ruido instrumental. Esta noticia estimuló a otros grupos en Glasgow, Munich, París, Roma , los Laboratorios Bell, Stanford , Rochester, LSU , MIT , Beijing y 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 los otros grupos confirmaron las observaciones, que nunca se pudieron explicar. Sin embargo la falta de confirmación no supuso evidencia contraria a la existencia de las ondas grvitacionales, ya que los cálculos teóricos pronosticaban que las señales serían demasiado débiles para ser observadas con estos detectores.

Desde 1980 hasta 1994, el desarrollo de detectores tomó dos direcciones diferentes:

  • Detectores de barras criogénicas, desarrollado principalmente en Roma / Frascati, Stanford , LSU y Perth (Australia). El mejor de estos detectores alacanza 10-19.
  • El interferómetro , desarrollado en el MIT, Garching, Glasgow, Caltech y Tokio. La sensibilidad típica de estos prototipos era de 10-18. El experimento de Glasgow/Garching en 1989 fue el primero realizado con estos detectores.

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.

En marzo de 2014, astrónomos del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsoniano (CFA) anunciaron la detección por primera vez las ondas gravitacionales durante el período explosivo de crecimiento del universo llamado inflación. Los hallazgos fueron realizados con la ayuda del BICEP2, un telescopio situado en el Polo Sur, durante experimentos llevados a cabo desde 2006 que buscaban anomalías en la polarización de la radiación de fondo de microondas. Sin embargo, posteriormente otros grupos señalaron la presencia de artefactos experimentales que podrían afectar las observaciones.[1]

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.

Referencias[editar]

  1. Ron Cowen (29 de mayo de 2014). «No evidence for or against gravitational waves». Nature (en inglés). 

Enlaces externos[editar]