Pregunta al IFT 1: ¿Qué son las ondas gravitacionales?

Desde el Instituto de Física Teórica, un centro mixto de la Universidad Autónoma de Madrid y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, queremos presentaros la actividad “Pregunta a un científico“, que si bien lleva ya un tiempo en activo, comienza hoy una nueva etapa en colaboración con Naukas.

A través de este link, cualquiera puede enviar sus dudas sobre física fundamental, sobre qué es el espín o qué demonios se hace en el LHC; para que los físicos del IFT puedan contestarla, apareciendo la respuesta en esta sección que hoy inauguramos en Naukas. Desde el IFT creemos que los científicos tenemos la responsabilidad de hacer llegar la ciencia a nuestra sociedad y la iniciativa que aquí os presentamos es sólo una más de las formas que hemos escogido para ello. ¡Esperamos todas vuestras preguntas!.

Como esta es la primera colaboración, hemos decidido centrarla en un tema de actualidad, las ondas gravitatorias, que hace poco han sido finalmente descubiertas directamente por la colaboración LIGO, marcando un hito para la astronomía de precisión. Contestamos pues a una pregunta de Daniel Kozac:

Hola me llamo Daniel. Me dirijo a ustedes con cuestiones esta vez relacionadas con la Ondas Gravitacionales. ¿Se puede hablar de ondas gravitacionales cuando el electrón gira alrededor del núcleo? y ¿Se producen ondas gravitacionales en el LHC cuando se mueven y chocan los portones? Muchas gracias, esperare impaciente la respuesta.

La pregunta de Daniel era más larga, pero el autor de la respuesta ha decidido partirla en dos puesto que cada parte tiene interés de sobra para ser contestada independientemente. La segunda parte aparecerá en la próxima edición de Pregunta al IFT.

La respuesta la escribe Francisco Torrentí, físico especializado en cosmología y, en concreto, en los efectos relacionados con la presencia del campo de Higgs en los primeros instantes de nuestro Universo, incluida la emisión de ondas gravitacionales.

Para entender lo que es una onda gravitacional, primero tenemos que entender lo que es el espacio-tiempo.

¿Qué es el espacio-tiempo?

Según la teoría de Newton de la gravitación, el espacio y el tiempo son simples coordenadas que nos dicen en qué lugar y momento exacto ocurre un acontecimiento.

Sin embargo, ahora sabemos que son algo más. A principios del siglo XX, Albert Einstein revolucionó nuestra visión del espacio y el tiempo, con la formulación de su teoría de la Relatividad General. Desde entonces, sabemos que al contrario que en la “inocente” visión newtoniana, el espacio-tiempo juega un papel fundamental en el movimiento de los cuerpos. El espacio-tiempo y la materia se comportan de manera entrelazada, afectándose mútuamente.

Probablemente, la manera más intuitiva de imaginar el espacio-tiempo es como una red, sujeta por los extremos de tal manera que se mantiene tensa. Si no hay ningún objeto encima de la red, ésta se mantiene totalmente plana. Sin embargo, si ponemos un objeto de una cierta masa encima de la red -por ejemplo, una bola de billar-, el peso de éste la curva. A mayor masa del objeto, mayor es la curvatura de la red: una bola de bolos curva más la red que la bola de billar.

De manera análoga, la presencia de un objeto masivo curva el espacio-tiempo de su alrededor. El Sol o la Tierra lo hacen, e incluso nosotros mismos curvamos el espacio-tiempo que nos rodea (aunque de manera insignificante).

De la misma manera que los cuerpos curvan el espacio-tiempo, la curvatura del espacio-tiempo dicta como los cuerpos se mueven. Por ejemplo, el movimiento de translación de la Luna alrededor de la Tierra se debe a que la curvatura ejercida por esta última “atrapa” a la Luna, no dejándola escapar.

La Tierra curva el espaciotiempo a su alrededor. La curvatura de ésta “atrapa” a la Luna, que se ve forzada a orbitar alrededor de la primera.
La Tierra curva el espacio-tiempo a su alrededor. La curvatura de ésta “atrapa” a la Luna, que se ve forzada a orbitar alrededor de la primera.

¿Qué son las “ondas gravitacionales”?

Hay muchas maneras en las que el espacio-tiempo se puede curvar. Una de las más interesantes es cuándo forma ondas.

Todos estamos familiarizados con el concepto de onda. Por ejemplo, cuando tiras una roca en la superficie de un lago, la superficie del agua se perturba formando ondas que se desplazan alejándose de la zona del impacto. De la misma manera, hay muchos acontecimientos en el universo que generan perturbaciones del mismo tipo en el espacio-tiempo. Esto es lo que conocemos como ondas gravitacionales.

Una de las propiedades más interesantes de las ondas gravitacionales es que se propagan sin apenas interactuar con el resto de la materia. Por lo tanto, esto nos permite observar con ellas eventos que no podríamos ver de otra manera. Las ondas gravitacionales son, por lo tanto, una ventana perfecta al Universo.

Al paso de una onda gravitacional el espacio se deforma, expandiéndose en unas direcciones y contrayéndose en otras. Esto nos permite detectarlas y analizar sus propiedades, y a través de ellas, conocer las características del objeto que las produjo. Esta es la base de los observatorios de ondas gravitacionales como LIGO.

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Ondas de agua generadas en un estanque.

¿Cuáles son las fuentes de ondas gravitacionales? ¿Se puede hablar de ondas gravitacionales cuando el electrón gira alrededor del núcleo? y ¿Se producen ondas gravitacionales en el LHC cuando se mueven y chocan los portones?

A grandes rasgos, cualquier objeto masivo moviéndose de manera acelerada produce ondas gravitacionales. No obstante, hay que tener en cuenta que la interacción gravitatoria es extremadamente débil en comparación con las otras interacciones fundamentales, como la electromagnética. Por lo tanto, la señal de ondas gravitacionales producida por procesos de nuestro día a día – como por ejemplo la aceleración de un coche – es indetectable. Y por supuesto, las ondas que pueden producir procesos microscópicos lo son aún más.

De hecho, para encontrar señales lo suficientemente fuertes como para ser detectadas, debemos explorar el universo en búsqueda de los sucesos más violentos de la naturaleza.

¿Qué entendemos por un suceso “violento”? En general, uno que involucre grandes cantidades de masa moviéndose de manera muy acelerada. A medida que la violencia del suceso se incrementa, la energía emitida en forma de ondas gravitacionales aumenta, pudiendo llegar a ser enorme. Sin embargo, como estos procesos tienen lugar a distancias de millones de años luz de nosotros, la energía de las ondas gravitacionales se diluye extraordinariamente en su camino hacia la Tierra, haciendo su detección extremadamente difícil.

Un ejemplo lo tenemos en la única señal de ondas gravitacionales que ha sido detectada hasta el momento. Corresponde a la fusión de dos agujeros negros a 1300 millones de años-luz de la Tierra. Las masas iniciales de los dos agujeros negros eran de 36 y 29 masas solares respectivamente, sumando un total de 65 masas solares. Sin embargo, el agujero negro final resultante tiene una masa de solo 62 masas solares, lo que implica que una energía equivalente a 3 masas solares fue emitida en forma de ondas gravitacionales. Sin embargo, al paso por el experimento LIGO, esta señal sólo ha distorsionado el espacio del orden de unos 10-18 metros, una distancia 100 millones de veces más pequeña que el tamaño de un átomo.

Las señales de ondas gravitacionales que esperamos detectar en las próximas décadas pueden tener origen astrofísico o cosmológico. Ejemplos de fuentes astrofísicas son la colisión de dos agujeros negros como el descrito arriba, la fusión de dos estrellas de neutrones o la explosión de una supernova, y son producidas por objetos localizados.

Sin embargo, también es posible que detectemos fondos de ondas gravitacionales de origen cosmológico. La señal en este caso tendría su origen al principio del Universo, instantes después del Big Bang, y provendría de todas direcciones. Un ejemplo son las ondas producidas durante la época de inflación primordial del Universo.

 El movimiento orbital de dos agujeros negros generando ondas gravitacionales.
El movimiento orbital de dos agujeros negros generando ondas gravitacionales.

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