Asociación Valenciana de Astronomía

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Charla: Descubriendo el universo con las ondas gravitatorias

El pasado Viernes 18 de Enero de 2019, tuvimos una estupenda charla sobre ondas gravitacionales de Isabel Cordero. Isabel compagina perfectamente la rigurosidad en la explicación, con la amenidad.De hecho, es una persona entusiasta en este tema, y lo transmite.

Isabel tiene un impresionante currículum. Es matemática y Doctora en Astrofísica. Es profesora de la UV. Investida sobre matemática aplicada y astrofísica, en especial relatividad numérica y ondas gravitatorias. Es miembro de la colaboración internacional VIRGO, colaboración reconocida con el Premio Nobel de Física en el 2017. Coordina actividades de divulgación en VIRGO en Valencia, y es miembro fundador de la asociación de divulgación científica Sapiencia.

Isabel forma parte de uno de los equipos españoles que han trabajado sobre todo en la parte teórica que permite identificar el origen astrofísico concreto de las ondas gravitatorias..

Lo primero que señaló al inicio de la charla es que se puede hablar tanto de ondas gravitatorias como gravitacionales, puesto que son sinónimos. Siguió explicando que la charla iría dirigida básicamente a contestar tres preguntas:

1- ¿Qué son las ondas gravitatorias?
2- ¿Cómo podemos medirlas?
3-¿Qué detecciones tenemos?

Para contestar a la primera cuestión hay que hablar de relatividad general, la teoría de la gravedad que Albert Einstein enunció en 1915. Llevamos más de cien años, y todos los experimentos hechos hasta la fecha (y son muchos) la confirman.En un plano, la distancia más corta entre dos puntos es la recta. Pero en un espacio de cuatro dimensiones, las tres espaciales y la temporal el espacio más corto entre dos puntos se llama Geodésica. La gravedad se interpreta como una teoría de Geometría. Hay geometrías diferentes a las de un plano.

De la relatividad general se pueden deducir dos consecuencias importantes:

a- Los objetos muy masivos deforman el espacio-tiempo. Y el espacio-tiempo no solo puede deformarse, doblarse, sino que también puede expandirse

b- Los objetos se tienen que adaptar a esa deformación.

Newton propuso la primera teoría de la gravedad. A velocidades relativamente pequeñas, las ecuaciones de Einstein se acercan a las de Newton, pero a velocidades cercanas a las de la luz y con masas suficientemente grandes las de Newton ya no sirven e imperan las ecuaciones de la relatividad. Entre las muchas pruebas que demuestran que la relatividad general es correcta señalemos dos de ellas:

1- La órbita de Mercurio es una elipse que desvía un poco su orientación en cada paso cercano al Sol: es la precesión del perihelio. La teoría newtoniana no lo podía explicar; sólo recurriendo a la relatividad de Einstein se pudo: quedó claro que la precesión se debía a efectos relativistas.

2- Si observo una estrella sin nada que se interponga en su trayectoria, su luz llegará hasta nosotros en línea recta. Pero si su luz pasa cerca de una masa considerable como la del Sol, éste curvará su trayectoria y veremos la estrella desplazada de su posición teórica. Esto lo pudo comprobar Arthur Eddington en 1919 aprovechando la ocasión de un eclipse solar.
Hay que señalar que en la teoría de Einstein, la luz representa un límite: nada se mueve más rápido que la luz en el vacío. La teoría predice que tienen que existir lugares de donde ni la luz puede escapar: los agujeros negros. Podemos conocer lo que ocurre en el exterior y el borde de un agujero negro, pero no tenemos ni idea de lo que hay dentro; ahí es la física cuántica la que rige. Las teorías de la gravedad y cuántica van por caminos distintos, funcionan muy bien por separado pero no ha sido posible unificarlas en una sola teoría (de momento).
Pero la relatividad general, además de predecir la existencia de agujeros negros, predice la existencia de ondas gravitatorias

1- ¿Qué son las ondas gravitatorias?

Supongamos que estamos frente a un lago, y que lanzo una piedra. Me fijo en la superficie del agua. La piedra provoca una perturbación que se propaga en todas direcciones. De forma similar, una onda gravitatoria es una perturbación que se propaga por el espacio-tiempo, y estas ondas las generan objetos muy masivos en movimiento.. Las ondas gravitatorias nos están atravesando continuamente, pero no podemos sentir nada ya que las deformaciones son mínimas. Cuando se desplazan, tiempo y espacio se distorsionan. Y como tienen naturaleza tensorial, solo pueden deformarlos de dos maneras (están polarizadas). La relatividad general predice que solo se darán dos tipos de deformaciones, si viéramos algo distinto, Einstein estaría equivocado, pero eso no ha pasado: lo que se ha detectado es exactamente lo predicho

2- ¿ Cómo podemos medirlas?

Einstein vio las ondas gravitatorias en sus ecuaciones, pero pensó que al ser muy tenues no las podríamos medir nunca. Han tenido que pasar 100 años pero se ha conseguido. Se ha necesitado el esfuerzo mantenido de miles de científicos e ingenieros durante decenas de años, un gran esfuerzo económico y el desarrollo tecnológico de potentísimos ordenadores para realizar complejos cálculos.

Para medir una distancia usamos algún tipo de “regla” pero la onda la deforma en igual medida; luego no sirve. Hay que recurrir a la relatividad general. Y la única “regla” que no sufre deformación es la velocidad de la luz en el vacío. Si lanzo un rayo de luz, y medimos el tiempo con precisión puedo calcular el cambio en la longitud porque el rayo tarda un poco menos o más en ir y volver. Y esto es lo que miden los observatorios de ondas gravitatorias. Estos tienen forma de L gigante con un edificio central, que aloja un generador potentísimo de rayos láser, y dos largos brazos perpendiculares, porque ya hemos visto que las ondas gravitatorias deforman en una determinada dirección, y en la perpendicular.

Ahora mismo existen cuatro observatorios de ondas gravitatorias. Uno de ellos, donde trabaja principalmente nuestra conferenciante, es el Observatorio Virgo en Italia, en un pueblo llamado Casina (cerca de Pisa). Virgo es fruto de la colaboración de 6 países entre los que está España. Con tres observatorios, ya se puede triangular la fuente y localizar con mucha mayor precisión el origen de los eventos que generan las ondas. La doctora Cordero señaló que en el Observatorio ofrecen visitas guiadas e invitó a los presentes a visitarlo.

Continuó diciendo que este observatorio es un prodigio técnico donde han intervenido los mejores ingenieros en su campo. Dentro de cada brazo, hay un tubo con un vacío extremo, superior al vacío del espacio. Son tubos perpendiculares de 3 km. más los subsistemas. Como incluso una longitud de 3 Km no es suficiente para tomar medidas tan precisas como se necesitan, se utilizan espejos interpuestos para hacer que el rayo láser se refleje muchas veces recorriendo así una distancia mucho mayor. Además hace falta aislar todo el conjunto para evitar la menor vibración que generaría ruido en los registros. Por ello se ha diseñado un complejo sistema de siete péndulos de 40 Kg sosteniendo cada espejo. Es la tecnología más puntera del planeta y se ha conseguido la precisión necesaria para detectar esos cambios mínimos que producen las ondas gravitatorias al alcanzarnos; cambios que son, ni más ni menos, que del orden de ¡la milésima parte del radio del protón!

3- ¿Qué detecciones tenemos hasta ahora?

Para que las ondas puedan captarse, necesitamos sucesos entre objetos masivos que las provoquen con suficiente potencia para ser detectadas, además de detectores extremadamente sensibles.

En EEUU, después de muchos años de trabajos y de intentos frustrados se había desarrollado el primer observatorio de ondas gravitatorias con suficiente sensibilidad, el proyecto LIGO: dos observatorios gemelos separados por 3000 km.

En Septiembre de 2015, mientras todavía estaban “apretando tornillos” en un ensayo general, se registró una señal clara y potente: habían cazado a primera onda gravitatoria. Lo que faltaba era localizar el objeto que la producía. Los científicos tienen una “lista de sospechosos” elaborada a partir de estudios teóricos realizados gracias al trabajo de cientos de matemáticos (como nuestra invitada) utilizando los más potentes ordenadores. Al comparar con todos los posibles causantes determinaron que la señal tenía que proceder con seguridad de la fusión de dos agujeros negros en rotación. Se pudo calcular además las masas de los dos agujeros negros, la masa del resultante y la cantidad de masa perdida transformada en la energía que generó las ondas.

En 2017, se sumó a las búsquedas el observatorio europeo Virgo. Así las cosas, en agosto de 2017 se produjo una triple detección de ondas gravitacionales. Esta vez se pudo acotar la señal en una región del cielo de pocos grados cuadrados, cosa que permitió recurrir a los astrónomos para que localizaran la fuente con telescopios convencionales. A los dos segundos se detectó en rayos gamma, horas después se sumaron detecciones en todas las frecuencias electromagnéticas: rango visible, rayos X, UV, infrarrojos y radio. Yendo al catálogo de posibles orígenes, se vio que la onda recibida cuadraba a la perfección con un evento de fusión de dos estrellas de neutrones, el primer caso detectado jamás. Después de los agujeros negros, las estrellas de neutrones son los objetos que más curvan el espacio-tiempo. Más de 70 observatorios terrestres y satélites participaron. Se identificó con precisión que venía de la galaxia NGC 4993 a 130 millones de años-luz. A este fenómeno, se le denomina kilonova, y hasta ese momento era sólo una posibilidad teórica. Una de las consecuencias de este fenómeno es la creación de algunos de los elementos químicos más pesados que el hierro (como oro y platino) que hasta ahora se sabía que no podían formarse a partir de supernovas comunes.

Se publicó un artículo firmado por más de 3500 científicos de diferentes disciplinas. Tres de ellos recibieron el Premio Nobel de 2017, y otros tres el Premio Princesa de Asturias de 2017. Fue el nacimiento de una nueva forma de hacer astronomía, una verdadera revolución que ha abierto además la posibilidad de sumar a la detección de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias con telescopios convencionales, las ondas gravitatorias, lo cual permite extraer mucha más información de fenómenos ya conocidos y abre las puertas a detectar otros todavía desconocidos.

¿Cuál es el futuro de esta disciplina?

Desde hace 3 años se tiene una ventana nueva para observar el Universo. Los agujeros negros no los podemos ver, pero deforman el espacio-tiempo y las ondas gravitatorias han representado la confirmación de su existencia. Además de los dos observatorios en EEUU y Virgo, hay otro en Alemania más pequeño donde se prueban componentes nuevos. A ellos, se va a añadir un observatorio en Japón, y otro en la India. En el siguiente período de observaciones por parte de LIGO y Virgo, que comenzará esta primavera, se habrá incrementado varias veces la sensibilidad de los detectores y por tanto se espera obtener muchas nuevas detecciones.

Hay que subrayar que lo conseguido hasta ahora es un logro brutal fruto de gran esfuerzo técnico y teórico de muchos científicos de todo el mundo y durante muchos años.

El paso siguiente, ya en marcha, es tener observatorios en el espacio capaces de detectar ondas de otras frecuencias, inalcanzables con observatorios terrestres: LISA de la ESA es el futuro (proyectado para dentro de 15 años). Las primeras pruebas en el espacio con LISA Pathfinder ya se han realizado y fueron un éxito.

Hoy ya tenemos un catálogo de 11 de fusiones de agujeros negros y uno de estrellas de neutrones. Cuando todos los observatorios estén en funcionamiento y con el aumento de sensibilidad de LIGO previsto para esta primavera se espera descubrir una media de un evento diario. Con tantas detecciones se podría hacer, entre otras cosas, una distribución estadística de agujeros negros en el universo. Con esta nueva herramienta el futuro está abierto a grandes descubrimientos astrofísicos.

Para concluir señaló que personalmente lo siguiente que desearía detectar sería alguna supernova en nuestra propia galaxia; con esa proximidad los datos que se extraerían serían detalladísimos. De media se detecta una supernova por siglo, así que ya toca.

Aquí terminó la charla de más de una hora pero después continuó un animado y prolongado turno de preguntas que nuestra invitada respondió con soltura y una buena dosis de gracia.

Para concluir señalar que, atendiendo a las entusiastas opiniones de los presentes, podemos afirmar que esta ha sido una de las mejores conferencias a las que hemos tenido el placer de asistir en nuestra Asociación: la doctora Isabel Cordero fue capaz de transmitir con claridad y pasión los entresijos de un tema tan complejo como éste.

Abajo, los compañeros aplaudiendo a la conferenciante en ovación cerrada.

Y Jordi, en nombre de la AVA, le hizo un obsequio a la conferenciante.

Texto cortesía de Paco Catalá  /  Fotos cortesía de “Posete”
Actualizado (Miércoles, 23 de Enero de 2019 23:06)

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