Un saludo a todos, la semana pasada me enteré gracias, 
Las Ondas Gravitacionales son fluctuaciones del espacio-tiempo que son provocadas por cualquier objeto masivo que esté acelerado, si suponemos el espacio-tiempo como la superficie de un estanque al cual arrojamos una roca, el impacto de ésta produce olas, ondulaciones en su superficie que se expanden desde el sitio de impacto hasta la orilla, de igual forma un objeto que tenga un movimiento acelerado perturba el espacio-tiempo produciendo fluctuaciones, ondas gravitacionales, que se expanden, a la velocidad de la luz, desde el objeto.
Este fenómeno fue predicho por Einstein en 1916 en el marco de su teoría de la relatividad general y es una parte esencial de su formulación teórica, pues como nada puede desplazarse más rápido que la luz, los cambios en el campo gravitacional provocado por un objeto acelerado, no pueden extenderse inmediatamente, como supone la gravitación newtoniana, deben propagarse desde el objeto a la velocidad de la luz. Estas deformaciones del espacio tiempo serían de magnitudes tan diminutas, que el propio Einstein supuso que nunca existiría la tecnología como para detectarlas.
Las ondas gravitacionales no son ondas en el sentido estricto de la palabra, son fluctuaciones, alteraciones en el espacio tiempo, que tienen el efecto de comprimir y estirar las dimensiones espaciales y el tiempo; generando la compresión y dilatación de los objetos a su paso, se requiere de dispositivos con sensibilidades que permiten percibir perturbaciones menores al tamaño de un protón, para detectarlas.
Históricamente la primera detección indirecta del efecto de estas ondas fue realizada por Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor, Jr,. quienes en 1974, pudieron medir el decaimiento en el periodo orbital de un pulsar binario, producto de la emisión de estas ondas, coincidiendo éste, con lo predicho por las ecuaciones de la relatividad. Este descubrimiento los hizo merecedores del Premio Nobel de Física en 1993.
En 2014 se anunció la detección de Polarización Modo B1 en la radiación del fondo cósmico de microondas, lo que resultaría coincidente con lo predicho en el modelo inflacionario, y que correspondería con el efecto de las ondas gravitacionales durante los primeros momentos del big-bang al inicio de la inflación, este resultado fue obtenido por el experimento BICEP22, estos resultados vendría a confirmar la existencia de las ondas gravitacionales a la vez que también corroborar el modelo cosmológico vigente.
Sin embargo, los resultados de BISEP2, fueron fuertemente criticados, pues sólo se podía analizar un sector particular del cielo, el cual está “contaminado” por el polvo y las emisiones de radio de nuestra galaxia, estudios posteriores, que combinaron los resultados de BISEP2 a los obtenidos por el telescopios espacial PLANK y el arreglo de radio telescopios KECK, resulto en una relación menor entre las polarizaciones modo B y Modo E3, en consecuencia aun cuando no se podía descartar la presencia de polarización modo B, tampoco se podía descartar que este resultado fuese producto del polvo presente en nuestra galaxia. Por este motivo los resultados de BISEP2 fueron desestimados.
Finalmente, después de casi quince años de la puesta en marcha de LIGO, tras pocos meses de su actualización a Advance LIGO y de cinco meses de circular el rumor de la detección de una emisión de estas ondas; el 11 de febrero de 2016, se anunció definitivamente la noticia de la detección el 14 de septiembre de 2015 de una fuente de ondas gravitacionales confirmada, proveniente de la fusión de dos agujeros negros de masa estelar a más de 1300 millones de años luz de distancia de nosotros.
Tras la primera detección confirmada de ondas gravitacionales, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física, Barry C. Barish, Reiner Weiss y Kip Thorne, de quien ya hablé en un post anterior, por su participación en la confirmación definitiva de la existencia de estas ondas, el primero como director del proyecto que llevo a cabo el experimento LIGO, y los dos últimos como los diseñadores del experimento mismo.
Como regla general todo objeto que se desplace con un movimiento acelerado genera fluctuaciones en el espacio tiempo, alteraciones del campo gravitacional, sin embargo, al ser la gravedad una fuerza tan débil, sólo aquellos eventos que involucren objetos sumamente masivos, pueden generar una fluctuación del espacio tiempo de una magnitud tal, que pueda ser detectada y aun así se requieres dispositivos de detección capaces de percibir variaciones de distancias en el rango del tamaño de un protón.
En consecuencia, sólo eventos como las kilonovas, supernovas e hipernovas, las fusiones de agujeros negros o la colisión de uno de éstos con una estrella de neutrones, serían en principio los fenómenos que emitirían ondas gravitacionales detectables. Otro objeto que hipotéticamente podría emitir ondas detectables son las estrellas de neutrones en rotación cuyas superficies fuesen irregulares.
Dentro del campo de los objetos hipotéticos que podrían emitir ondas gravitacionales están las colisiones o fusiones de agujeros de gusano y las desintegración de lazos cerrados de cuerdas cósmicas, estas últimas son objetos unidimensionales que se formaría tras una transición de fase del universo primigenio, serían el equivalente a las líneas o grietas que se forman en el agua al congelarse, estas cuerdas se moverían con el espacio tiempo, a causa de su expansión, si en este proceso, llegasen a cruzarse sobre si mismas, formando un lazo cerrado, este se separaría de la cuerda original y oscilaría emitiendo radiación gravitacional, ondas gravitacionales, hasta evaporarse.
Otra posible fuente de ondas gravitacionales sería, el colapso gravitacional que dio origen a la inflación cósmica en el big-bang, el cual fue el producto del desacoplamiento de la gravedad una vez trascurrido el primer tiempo Plank después del big-bang. Las ondas gravitacionales de este evento, se esperan puedan ser detectadas indirectamente a través de experimentos como el BISEP2, o directamente, por futuro observatorios espaciales de ondas gravitacionales como LISA.
Uno de los aspectos más destacados de la comprobación de la existencia de las ondas gravitacionales es que corrobora una vez más una de las predicciones centrales de la teoría de la relatividad, una que incluso el propio Einstein dudó que pudiese ser validada, lo que confirma esta teoría como un constructo teórico válido para describir los fenómenos cosmológicos.
Otra consecuencia importante y quizá menos conocida, es la confirmación de la existencia de los agujeros negros, tal como se han sido descritos por las ecuaciones de la relatividad general, singularidades espaciotemporales, rodeadas por un horizonte de sucesos. Aun cuando no se dudaba de su existencia, su estructura aún estaba por ser confirmada; los datos obtenidos desde la primera detección de estas ondas, hasta la fecha, han permitido avalar este modelo.
Los gravitones de existir carecerían de masa, tal como han sido teorizados. Los gravitones son partículas elementales hipotéticas, que serían las encargadas de la mediación de la fuerza de la gravedad; teóricamente, carecerían de masa al igual que los fotones, por lo que las ondas gravitacionales se propagarían a la misma velocidad de la luz; esto se pudo confirmar el año pasado (2017), cuando por primera vez se pudo tener confirmación casi simultánea en todo el espectro electromagnético de un evento generador de ondas gravitacionales, el GW170817, del cual ya he hablado en publicaciones previas (1 2). De propagarse las ondas gravitacionales a menor velocidad que la luz, su detección sería posterior a la de las emisiones en el espectro electromagnético.
La cualidad que tienen de no interactuar prácticamente con nada, las hace portadoras de información casi inalterada sobre los eventos que las generan, permitiendo así la obtención de datos sobre eventos que no podrían ser fácilmente detectados por medios ópticos, como las fusiones de agujeros negros o su formación.
La radiación del fondo cósmico de microondas, es la impresión que dejó el desacoplamiento de la radiación de la materia, cuando la temperatura del universo primitivo bajo lo suficiente como para permitirle a los fotones desplazarse libremente, esto ocurrió cuando el universo tenía unos 400.000 años. Esta es la fuente de información más antigua que se tiene sobre el universo primitivo, sin embargo, el evento que dio inicio a la inflación, la separación de la fuerza de la gravedad de las otras tres fuerzas fundamentales, generaría un eco de ondas gravitacionales que podría percibirse aun hoy, si se lograse su detección, brindaría información del propio inicio del universo, a un tiempo de Planck, después del big-bang.
En el campo de la teoría de cuerdas, la detección de las ondas provenientes de la desintegración de cuerdas cósmicas cerradas, podría dar evidencias que ayuden a confirmar la Teoría de las Supercuerdas4.
Su descubrimiento también abre la puerta al desarrollo de nuevas técnicas para la determinación de magnitudes de nuestro universo aun no definidas con certeza, como su edad y tamaño, la cantidad de energía y materia oscura que lo conforma, su geometría y dar indicios más certeros del modelo de evolución que seguiría, permitiendo definir cuál sería su destino.
El procedimiento usado para la detección de ondas gravitacionales es la Interferometría Laser, que fundamentalmente consiste en un láser que es disparado a través de dos túneles al vacío, dispuestos perpendicularmente formando una L, en cuyos inicio y final se encuentran espejos en los que el láser se refleja sobre si mismo, interfiriéndose; instrumentos ubicados al inicio y final del recorrido del láser, deberían ser capaces de captar cualquier desviación en su recorrido, producto de las distorsiones dimensionales causadas por el paso de una onda gravitacional.
Existen en la actualidad en operación tres experimentos basados en este tipo de instrumentos estrictamente orientados a la detección de ondas gravitacionales:
LIGO inició sus operaciones de ingeniería en 2001 y los instrumentos iniciaron sus operaciones en 2005, cesando en 2010, sin realizar ninguna detección, para reiniciar en 2015 después de una actualización en sus espejos, sistema de amortiguación y aislamiento sísmico, esta actualización es la denominada Advanced LIGO. Posterior a su regreso a operaciones, se confirmó la primera detección de ondas gravitacionales.
Un aspecto importante a tomar en cuenta es que la detección de ondas gravitacionales por interferometría láser, no permite la ubicación precisa de la fuente de las ondas, pues los interferómetros escanean una porción grande del cielo y no pueden ser direccionados a un sector en particular, en consecuencia, con excepción del evento GW170817, que gracias a la intervención de varios medios de detección diferente pudo localizarse con precisión su origen, no se tiene precisión sobre la ubicación de la fuente de estas emisiones de ondas.
Desde que se realizo la primera detección de estas ondas, el 14 de septiembre de 2015, se han realizado otras 10 detecciones de estos fenómenos, que se resumen en catalogo GWTC-1, publicado por LIGO y VIRGO el 3 de diciembre de este año (2018), estos eventos son catalogados usando una codificación que inicia por las siglas GW de Gravitational Wave (onda gravitacional) y se acompaña por seis dígitos que corresponden al año, mes y día de la detección, así por ejemplo la primera onda detectada sería la GW150914, los eventos detectados corresponden a diez fusiones de hoyos negros y una colisión de estrellas de neutrones (Kilonova):
| Catalogo | Hora UTC de la detección | Fecha del anuncio | Fuente identificada | Ubicación |
|---|---|---|---|---|
| GW150914 | 09:50:45.4 | 11/02/2016 | Fusión de agujeros negros | -- |
| GW151012 | 09:54:43.4 | 15/06/2016 | Fusión de agujeros negros | -- |
| GW151226 | 03:38:53.6 | 15/06/2016 | Fusión de agujeros negros | -- |
| GW170104 | 10:11:58.6 | 01/06/2017 | Fusión de agujeros negros | -- |
| GW170608 | 02:01:16.5 | 16/11/2017 | Fusión de agujeros negros | -- |
| GW170729 | 18:56:29.3 | 30/11/2018 | Fusión de agujeros negros | -- |
| GW170809 | 08:28:21.8 | 30/11/2018 | Fusión de agujeros negros | -- |
| GW170814 | 10:30:43.5 | 27/09/2017 | Fusión de agujeros negros | -- |
| GW170817 | 12:41:04.4 | 16/10/2017 | Colición de estrellas de neutrones | NGC 4993 |
| GW170818 | 02:25:09.1 | 30/11/2018 | Fusión de agujeros negros | -- |
| GW170823 | 13:13:58.5 | 30/11/2018 | Fusión de agujeros negros | -- |
El último anuncio conjunto de los proyectos LIGO y VIRGO fue realizado el 30 de noviembre de este año, en el cual se informó de cuatro nuevas detecciones las GW170729, GW170809, GW170818 y GW170823, entre ellas destaca la GW170729, por ser la más masiva jamás detectada, correspondiendo a la fusión de dos agujeros negros de 50,6 y 34,3 masas solares, dando como resultado un nuevo agujero negro de 80,3 masas solares, la masa faltantes correspondería a la energía emitida en forma de ondas gravitacionales el equivalente a 4,6 masas solares, este evento se dio a una distancia de unos 5000 millones de años luz, siendo también el más lejano detectado.
Una peculiaridad del evento GW170729, es que la masa del agujero negro resultante de la fusión se aproxima mucho al límite de masa de los agujeros negros estelares, lo que abre la posibilidad a la confirmación de la existencia de agujeros negros de masa intermedia, con rangos que van de las 100 al millón de masas solares, los cuales se han teorizados, pero no pueden ser explicados por el proceso normal de formación de los agujeros negros.
Está proyectada la construcción de varios observatorios de ondas gravitacionales para los próximos años, desde instalaciones en tierra hasta espaciales, los más destacados son los siguientes:
CLIO: acrónimo de Cryogenic Laser Interferometer Observatory (Observatorios de Interferometría Láser Criogénica), situado en Japón es un prototipo experimental que tiene como propósito probar la tecnología criogénica de espejos, en la cual estos son refrigerados a 20 °K para reducir el ruido que pueda producir el calentamiento de los espejos, a causa del láser, esta tecnología tiene como propósito ser aplicada en el futuro observatorio KAGRA.
KAGRA: o Detector de Ondas Gravitaciones de Kamioka actualmente en construcción en la isla de Kamioka, contará con túneles subterráneos de 3 kilómetros de largo y será usada la tecnología criogénica de refrigeración de espejos, que está en pruebas en el CLIO.
INDIGO: acrónimo de Indian Initiative in Gravitational-wave Observations (Iniciativa India para la Observación de Ondas Gravitacionales) es una iniciativa conjunta del gobierno indio en colaboración con LIGO. INDIGO alojará al detector LIGO-India, estará ubicado en Aundha Nagnath, Distrito de Hingoli, Maharashtra.
Telescopio Einstein: este proyecto de algunas instituciones de la Unión Europea planea la construcción de un interferómetro subterráneo con una estructura triangular con lados de 10 kilómetros de largo.
LISA: acrónimo de Laser Interferometer Space Antenna, es un proyecto conjunto de la NASA y la ESA para un observatorio espacia de ondas gravitacionales, estaría conformado por tres satélites ubicados a una distancia de 2,5 millones de kilómetros uno del otro formando un triangulo equilátero, estaría ubicado en orbita solar en uno de los puntos Lagrange de la órbita terrestre, se planea que esté en funcionamiento para la década del 2030.
Big Bang Observer: es un observatorio espacial planificado como sucesor de LISA, diferencia de LISA, sus brazos serían más pequeños, de 50.000 kilómetros, pero estarían formados por dos triángulos equiláteros sobrepuestos formando un hexagrama.
DECIGO: acrónimo de Deci-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory es un proyecto de la Agencia Espacial Japonesa de un interferómetro con una estructura similar a la de LISA, pero con brazos de 1000 Km, se espera que sea lanzado en 2027.
TianQin: es la propuesta china para un interferómetro consistente en tres satélites en órbita terrestre, con brazos de 100.000 kilómetro. Se planea que esté en funcionamiento entre el 2025 y el 2030.
Como se puede ver el estudio de las ondas gravitacionales, es uno de los principales intereses de la cosmología y astrofísica moderna, con una larga lista de proyectos que pueden o no llegar a término, pero que demuestran la importancia de este nuevo campo de investigación.
Con esto concluye esta publicación, espero que haya sido de su agrado, quedo atento a sus comentarios, gracias por su atención, hasta la próxima publicación.
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