100 años de gravedad


Primeros datos directos de ondas gravitacionales y de la fusión de dos agujeros negros que se registran en la historia.

       Hannover, 14 septiembre 2015, 11:53 hora local. Llega un correo electrónico automático a la bandeja de entrada de Marco Drago, físico italiano en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Hannover que forma parte de la colaboración internacional LIGO (observatorio de interferometría láser avanzada). Son dos gráficas. Exactamente ese tipo de gráficas para las que ha sido construido LIGO en dos distintos lugares de EE.UU.  Una de las dos gráficas corresponde al brazo del observatorio que está en Washington y la otra al de Lousiana. Tienen muy buena pinta y las distribuye a todos los colaboradores repartidos por el mundo entre las que está Jocelyn Read,  profesora en la Universidad del Estado de California.

También exactamente ese tipo de gráficas que se producen cuando alguien del equipo de LIGO ¨inyecta¨ datos de forma artificial para probar la eficacia de la empresa científica.  Por eso al principio algunos se preguntan si es una inyección muy bien hecha.

Pero no, no es una inyección artificial de datos. Son los primeros datos en la historia de la humanidad de la detección directa de ondas gravitacionales y los primeros datos de la detección de una fusión de dos agujeros negros. 

Los agujeros negros como las ondas gravitacionales no han sido predicciones que se hayan aceptado fácilmente en la  comunidad científica

Pasan cinco meses hasta que la colaboración LIGO el 11 de febrero de este año anuncie su hallazgo y publique el artículo ¨Observación de ondas gravitacionales de la fusión de un agujero negro binario.¨

Como nos cuenta Jocelyn Read:

"Yo sabía de la posible detección por el intercambio de correos electrónicos desde el día después de que habíamos recibido la señal. Pero teníamos mucho trabajo que hacer: tomar suficientes datos para cuantificar mejor la probabilidad de una falsa alarma, hacer comprobaciones diversas de canales auxiliares, un análisis a posteriori detallado, una revisión cuidadosa de todos los códigos y cálculos y finalmente escribir un artículo del que todos los miembros pudiésemos estar orgullosos. Los rumores habían preocupado a algunos de nosotros, porque podía pasar que se nos obligase a hacer declaraciones antes de que estuviésemos listos, pero afortunadamente fuimos capaces de anunciar nuestros resultados con confianza.¨

Unos mil científicos de más de cien instituciones tenían que ponerse de acuerdo en cada detalle. Había que descartar todo tipo de ¨ruidos¨ creados por otras causas, porque estamos hablando de una precisión en la distancia muy difícil de imaginar. Una pelota de tenis mide centímetros. Si cogemos la centésima parte de una millonésima del radio de esa pelota de tenis estamos hablando del radio de un átomo. Pues bien, la precisión necesaria para la detección es de la centésima parte de una millonésima parte del radio de un átomo.

¿Cómo es posible este tipo precisión?

Solamente por el conocimiento profundo del tipo de señal que llegaría y la combinación ingeniosa de varias técnicas. De entrada tener dos de esos detectores en dos sitios diferentes sobre la Tierra que tienen que recibir la misma señal ayuda a poder descartar cantidad de otras causas.

Finalmente el equipo puede concluir que la probabilidad de que esa señal en Washington y Lousiana fuese fruto de una casualidad era muy pequeña. Según sus cálculos, habría que esperar 203 mil años, para obtener esa señal por casualidad. A la fuente ahora la llaman GW150914.

No es sólo una confirmación de lo que se esperaba, es que se abre un campo científico nuevo: la astronomía de ondas gravitacionales.

 

 

Se abre un campo científico nuevo: la astronomía de ondas gravitacionales

Jennifer Seiler, astrofísica de Universe Sandbox, y hasta hace poco miembro de la división de astrofísica del centro de la NASA Goddard Space Flight Center nos comenta:

¨Aunque la gravedad es la fuerza más débil y las ondas gravitacionales son difíciles de detectar, tienen algunas ventajas con respecto a la observación de luz. En primer lugar las ondas gravitacionales son prácticamente insensibles a la materia en su camino. Esto significa que podemos mirar dentro de regiones del espacio que están bloqueadas a las observaciones ópticas, como por ejemplo el interior de nubes densas de polvo, centros de galaxias, detrás de cuerpos grandes o cercanos. En segundo lugar constituyen una observación de la curvatura del espacio mismo, lo que significa que podemos ver cosas que tienen masa, pero que no producen luz, como por ejemplo agujeros negros y fuentes de materia oscura en caso de que exista. En tercer lugar las ondas gravitacionales decaen en amplitud mucho más despacio que la luz. Eso significa que podemos recibir señales de mucho más lejos que de manera óptica. Todo esto significa que la detección es el comienzo de una astronomía de nuevo tipo, aparte de vamos hacia una mejor comprensión de la gravedad.¨ 

Han podido calcular de la señal detectada que proviene de la fusión de dos agujeros negros de 36 y 29 masas solares que se fusionaron para dar lugar a uno sólo de 62.  Fue irradiada en forma de ondas gravitacionales en ese proceso nada más y nada menos que la energía correspondiente a tres masas solares.

Entender lo que es una onda gravitacional no es sencillo. Según la relatividad general cualquier masa curva el espacio-tiempo. Para ello imaginémonos que colocamos una bola de billar sobre una sábana extendida. La bola por su peso ¨curva¨ la sábana y se queda quieta más o menos en el centro de nuestra sábana. Si ahora añadimos otra bola, dependiendo de dónde la coloquemos, puede crear otra ¨curvatura¨ en otro sitio, o esa bola puede ¨caer¨ hacia la otra bola que ya estaba porque la primera ha creado una ¨inclinación¨ en la sábana. La sábana es como el espacio-tiempo. Si tenemos ahora dos bolas que giran una alrededor de la otra, la sábana va cambiando su forma periódicamente y eso serían como las ondas gravitacionales.

Lo que se ha detectado son esas ondas que provienen de muy lejos. Han recorrido la distancia de 1,3 mil millones de años luz hasta que llegar a la Tierra. Las bolas que han creado esas ondas en este caso han sido dos agujeros negros orbitando uno alrededor de otro. Una vez hecho ese ejercicio de abstracción, las ondas gravitacionales como ondas se parecen a otros fenómenos que nos son más familiares. Read nos explica cómo ella ve lo que son las ondas gravitacionales:

¨Podemos ver ondas por todas partes a nuestro alrededor. Luz y sonido también pueden ser descritas  por ondas: la luz son ondas en campos eléctricos y magnéticos y el sonido son ondas de presión en el aire. Hoy en día pensamos que la gravedad es el efecto de la curvatura del espacio y el tiempo, en la medida en que objetos pesados estiran y distorsionan el espacio de manera que otros objetos caen hacia ellos. Si mueves cosas que crean gravedad a su alrededor, los efectos se esparcen através del espacio, ocasianando estiramientos y reducciones de las distancias entre las cosas mientras la onda gravitacional las atraviesa.¨

¿Cómo se han detectado entonces esas ondas?

LIGO es un sistema de interferómetros gemelos que constantemente envía rayos laser de un lado para el otro mediante espejos en grandes tubos al vacío de 4 kilómetros de longitud. Una onda gravitacional va a alterar ligeramente la longitud de uno de los tubos y hace que los rayos laser estén ligeramente desincronizados creando una interferencia. Esa pequeña alteración en la longitud de los tubos fué de una billonésima parte de una trillonésima parte de la longitud de los espejos. Para estar seguros del resultado ha sido crucial que la señal haya llegado con una diferencia de siete milisegundos a los detectores situados en los dos sitios diferentes.

ligodosgráficas

¿Cómo se puede saber que esa señal sea de una fusión de agujeros negros?

La explicación proviene de la distribución de frecuencias que permite saber que la señal proviene de la evolución de dos objetos orbitando alrededor de si mismos. Para poder emitir en una frecuencia de 75Hz esos objetos tienen que ser muy masivos y también muy compactos. Dos estrellas de neutrones cumplirían con ser muy compactas, pero no alcanzarían la suficiente masa y dos estrellas ¨normales¨ pueden llegar a tener mucha masa, pero no llegan a ser tan densas. Las ecuaciones de la relatividad son muy complejas y para entender qué ocurre si dos agujeros negros orbitan entre sí, es necesaria la computación.

Seiler nos lo explica al detalle:

¨Formas ondulatorias simuladas son importantes tanto para asistir en la detección de señales minúsculas para separarlas de ruido no deseado como en la identificación de fuentes y propiedades de fuentes de señales identificadas. Para asistir en la detección de ondas gravitacionales, señales generadas numéricamente son utilizadas en el proceso llamado de ¨filtración comparada¨ que compara los datos provenientes del detector con la base de datos para ver con qué señáles hay una gran coincidencia. ¨

¿Porqué se ha detectado ahora y no antes?

En 1915 Einstein estableció la relatividad general y un año más tarde predijo las ondas gravitacionales. También en 1916 se establecieron las ecuaciones por parte de Karl Schwarzschild que hoy en día se sabe que describen a un agujero negro.

¿Cómo es que se han tardado 100 años?

El aspecto tecnológico del descubrimiento salta a la vista, pero veamos primero otros factores científicos fundamentales. Tanto los agujeros negros como las ondas gravitacionales no han sido predicciones que se hayan aceptado fácilmente en la misma comunidad científica. Como anécdota el propio Einstein en 1936 trabajando con uno de sus colaboradores Nathan Rosen había llegado a la conclusión de que las ondas gravitacionales no existían. Entre 1916 y 1918 Einstein había hecho cálculos simplificando las ecuaciones y en 1936 haciendo unos cálculos más sofisticados pensaba que no debían existir y envío esos cálculos que había hecho conjuntamente con Rosen a la revista norteamericana ¨The Physical Review¨ con el título ¨¿Existen ondas gravitacionales?¨

El problema es como dice Seiler:

¨Las ecuaciones de Einstein de la relatividad general son 10 ecuaciones diferenciales parciales altamente no lineales. Eso significa que solamente es posible de obtener soluciones exactas para situaciones astrofísicas en condiciones muy idealizadas, como simetría esférica o un sólo cuerpo. Para predecir las formas de ondas gravitacionales producidas por sistemas de muchos cuerpos compactos o el colapso estelar, es necesario resolver las ecuaciones numéricamente, es decir con el ordenador. Esto significa formular datos iniciales para los espacio-tiempos de interés como el caso de dos agujeros negros con diferentes espines y proporciones de las masas orbitan alrededor de si mismos en forma de espiral. Luego hay que hacer evolucionar esos datos en pasos discretos de tiempo hacia el futuro integrando las soluciones. Para probar que las soluciones de ordenador aproximan la realidad más allá de ecuaciones escritas en papel, hacemos las simulaciones en múltiples resoluciones para nuestro espacio-tiempos discretos. Mostramos que nuestras soluciones convergen hacia una única solución en la medida en que nos aproximamos a resolución infinita, que es lo que representaría el espacio continuo real y también que convergen a la rapidez esperada por el método utilizado.¨

La revista rechazó el artículo a Einstein indicándole diferentes errores. Es bastante probable que Einstein no se leyera esas objeciones, porque estaba furioso que el editor en un principio hubiese pedido la opinón a otro especialista anónimo sobre el tema. En Europa en esa época no existía el proceso de revisión de artículos al que hoy todo científico está acostumbrado. Digamos que Einstein solo había pedido que se publicase su artículo y nada más.

Sin embargo el perito anónimo Robertson tuvo la ocasión de discutir con él, sin revelar que él había sido el perito y al final entre otro colaborador de Einstein, llamado Infeld y él lograron convencer a Einstein, que al parecer también había detectado algún error en sus cálculos. Al final se publicó el artículo en otra revista llamada Journal of the Franklin Institute ahora con el título ¨Sobre ondas gravitacionales¨ en las que Einstein al final del artículo da las gracias a Robertson sin saber que había sido él quién había rechazado su artículo en su primera versión. Einstein nunca volvió a enviar nada a la revista inicial.

Esta anécdota muestra como el concepto de las ondas gravitacionales no es algo sencillo. Hubo mucho debate hasta que en 1957 en una conferencia en Chapel Hill se llegó a cierto consenso sobre la existencia de ondas gravitacionales en la comunidad, pero nunca ha dejado de existir cierta controversia.

Hay que tener en cuenta que de forma indirecta ya se sabía que existían ondas gravitacionales. En los setenta se descubrió un sistema binario de pulsares llamado PSR B1913.16 por parte de Hulse y Taylor. En los ochenta cálculos y observaciones de su pérdida de energía por la emisión ondas gravitacionales por parte de Taylor y Weisberg demostraron la existencia de ondas gravitacionales a ese nivel indirecto. Sólo utilizando las ecuaciones de Einstein y la hipótesis de las ondas gravitacionales se podían explicar las órbitas.

Lo que ha ocurrido ahora es la detección directa.

Con respecto a los agujeros negros ha pasado algo muy parecido. Las ecuaciones que había encontrado Schwarzschild no fueron reconocidas como que describían a un agujero negro hasta mucho más tarde. Importantes trabajos fueron establecidos por Finkelstein y Kruskal en 1958 y 1960 y no fue hasta 1963 que Kerr encontró las ecuaciones que describen a un agujero negro en rotación.

Al igual que con las ondas ya se sabía de la existencia de agujeros negros por el efecto que crea a su alrededor, de hecho existe un agujero negro supermasivo en nuestra galaxia.

Todo lo que acabamos de describir no tiene nada que ver con la falta de avance tecnológico. Han sido dificultades en la teoría o su concepción.

Sin embargo no son sólo los conceptos complejos lo que explica que tuviese que pasar alrededor de medio siglo para que tanto las ondas gravitacionales como los agujeros negros empezasen a ser tomados en serio. Lo mismo que por cierto también le ha ocurrido a la teoría de la gran explosión o ¨Big Bang¨. En ese punto Einstein también tuvo una visión conservadora, creyendo en un Universo estático, hasta que la realidad de la expansión del Universo fruto de las observaciones de Hubble hicieron cambiar su opinión. Estamos hablando no sólo de un genio, sino de un científico que en las principales batallas filosóficas que estuvo en lo cierto. Imagínense el resto de científicos.

Un aspecto importante de la falta de desarrollo de la relatividad general, ha sido que los pocos recursos para la investigación básica fuesen al desarrollo de la mecánica cuántica, otro gran campo abierto en el siglo XX. A diferencia de la relatividad general prometía muchas aplicaciones prácticas entre ellas la militar. La famosa ecuación de que establece la equivalencia entre energía y masa es de la relatividad, pero es de la relatividad especial que no tiene en cuenta a la gravedad.

Para fenómenos en la Tierra la relatividad especial se consideraba suficiente y la cuántica era fundamental para la comprensión de la física de materiales. También para la física nuclear, que a su vez es evidentemente clave para la construcción de bombas atómicas.

Esto sigue siendo así y se ve reflejado en los planes de estudios de física en la universidad. El hecho es que la amplia mayoría de personas que han estudiado la carrera de física no ha dado un curso de relatividad general, entre otras cosas porque en muchas universidades ni se ofrece ese curso. No es por la complejidad, porque por otra parte es prácticamente imposible encontrar a un licenciado en físicas que no tenga un sólido conocimiento de mecánica cuántica. Son los dos pilares fundamentales de la física, pero el desarrollo ha sido muy asimétrico.

Es curioso que en los años sesenta el físico estadounidense Weber propusiese los primeros aparatos para la detección de ondas gravitacionales. Incluso dijo haberlas detectadas y proponía utilizarlas para la detección de submarinos. Sin embargo sus aparatos contenían errores e intentos posteriores de otros investigadores de reproducir sus errores fracasaron.

Jennifer nos explica los obstáculos recientes que tuvieron que ser superados:

Había muchos obstáculos en la creación de estas simulaciones: hacían falta grandes cantidades de capacidad computacional para la precisión requerida. Necesitábamos hacer muchísimas simulaciones lentas, largas y computacionalmente intensivas para cubrir todo tipo de parámetros como el espín, diferentes masas, orientaciones etc, de fuentes potenciales de las ondas gravitacionales. Para agujeros negros, una de las grandes dificultades es que contienen una singularidad. Una singularidad significa un infinito y a ordenadores no les gusta simular infinitos. Los investigadores de relatividad numérica para simular los agujeros negros tenían que encontrar una manera de cortar el espacio-tiempo en rodajas sin que tuviese que el punto singular incorporado. La primera simulación exitosa de este tipo no ocurrió hasta 2005. Una vez que teníamos simulaciones que funcionaban, grupos en todo el mundo se pusieron a simular el conjunto de fuentes potenciales de ondas gravitacionales. Estas simulaciones no fueron sólo útiles para los detectores para identificar señales, sino también fue de ayuda a los teóricos a la hora de formular predicciones acerca de los resultados de este tipo de eventos astrofísicos. Predicciones como la velocidad resultante de los agujeros negros fusionados de binarias con diferentes espines, la cantidad de energía liberada por los agujeros negros fusionados, el efecto que los espines de los agujeros negros tienen sobre los espines de otros cuerpos etc.  Muchas de las predicciones fueron utilizadas en el análisis de las propiedades de la fuente de GW150914.

Finalizamos la entrevista preguntando acerca del futuro de la detección. Ya que ha sido con dos detectores en la Tierra y está planificado LISA un interferómetro láser en el espacio y nos preguntamos cuáles van a ser las diferencias cualitativas, a lo que Seiler nos contesta:

¨La escala de los cambios en la distancia medida para una onda gravitacional depende de la base sobre la que es medida. LIGO tiene una base de 2,5 millas. LISA tendrá una base de millones de millas lo que significa que las señales serán mucho más grandes. Aparte de tener una base más larga, ser libre del ruido típico sobre la Tierra como un árbol que cae, el tráfico de coches en hora punta etc. LISA también será sensible a un conjunto diferente de frecuencias de las ondas de gravitación. Mientras que LIGO es bueno binarias compactas, el colapso del núcleo de una supernovae y un pulsar binario, LISA es mejor para sistemas binarios más masivos, y para binarias (agujeros negros y estrellas de neutrones ) en esta galaxia

Este artículo se basa en la entrevista a Jocelyn Read y Jennifer Seiler publicada en el blog sciencelicks:

http://www.sciencelicks.net/2016/02/interview-of-jocelyn-read-and-jennifer-seiler-on-the-gravitational-wave-detection-a-new-window-to-the-cosmos/

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