Ondas gravitatorias, su presente en LIGO y su futuro en LISA

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En la teoría de Newton, la gravedad es instantánea, en la teoría de Einstein, se propaga a la velocidad de la luz, como una onda. ¿Onda de qué? Ondas de curvatura del espaciotiempo (Einstein, 1918). Las mareas en la Tierra son provocadas por el movimiento de la Luna. Las ondas gravitatorias son ondas de marea del tejido del espaciotiempo que pueden deformar a los objetos que encuentran a su paso. La fuerza de la gravedad es muy débil, 42 órdenes de magnitud menor que la fuerza electromagnética, por lo que las ondas gravitatorias generadas por movimientos de masas en la Tierra son extremadamente débiles (absolutamente indetectables experimentalmente). Los objetos capaces de hacer vibrar al espaciotiempo deben ser muy masivos y moverse muy rápido para que las ondas que generan, propagándose a la velocidad de la luz, alcancen la Tierra con un amplitud detectable . 

Dibujo20090814_Possible_sources_gravitational_waves_and_corresponding_frequencies

LIGO es un detector terrestre (por interferometría) de ondas gravitatorias sensible a las fuentes de ondas gravitatorias de alta frecuencia, como la explosión de supernovas, el colapso gravitatorio de una estrella en un agujero negro, la coalescencia de binarias “estelares,” y la radiación de estrellas de neutrones individuales. En el caso de agujeros negros serán de masa intermedia, entre 10 y 500 masas solares, y se encontrarán en nuestro entorno cercano, a una distancia inferior a 300 Mpc (megaparsecs). LIGO todavía no ha encontrado ondas gravitatorias, luego estos objetos son más escasos en nuestro entorno de lo que se pensaba (Lisa Maria Goggin, “A Search For Gravitational Waves from Perturbed Black Hole Ringdowns in LIGO Data,” Ph.D. Thesis, ArXiv, 10 Aug 2009).

Actualmente se encuentran en funcionamiento los detectores de ondas gravitatorias LIGO, VIRGO, GEO 600, TAMA 300, Nautilus y Auriga. Aunque ha habido varias falsas alarmas, todavía no se han logrado la observación directa de una onda gravitatoria. Más detalles sobre estos detectores en Jim Hough, Sheila Rowan, B.S. Sathyaprakash, “The search for gravitational waves,” J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38: S497-S519, 2005. Aún más detalles en los capítulos para cada uno de estos detectores en el libro editado por Ignazio Ciufolini, Vittorio Gorini, Ugo Moschella, y Pietro Fré, “Gravitational waves,” IOP Publishing, 2001.

Dibujo20090814_Numerical_simulation_gravitational_waves_from_black_hole_merging_and_HST_tidally_interacting_galaxies

El futuro de la detección de ondas gravitatorias serán los detectores en el espacio, en concreto, LISA, que se espera que empiece a funcionar entre 2013 y 2015. LIGO y LISA se complementan, como indica la figura que abre esta entrada, porque son sensibles a ondas gravitatorias de frecuencia diferente. LISA podrá observar ondas gravitatorias de baja frecuencia como las producidas en sistemas binarios en fase espiral (chirping binaries), agujeros negros supermasivos (formación, sistemas binarios, captura de objetos, …) y el propio fondo de ondas gravitatorias de origen cosmológico (en la Gran Explosión). LISA podrá observar agujeros negros con alta precisión verificando sus propiedades y si la descripción basada en el modelo de Kerr es correcta. Cómo se forman, crecen e inteactúan los superagujeros negros en el centro de las galaxias será uno de los grandes objetivos de LISA, junto amuchos otros fenómenos violentos en el universo cercano.

Dibujo20090814_Precession_periastron_PSR 1913_16_in_27_years_of_radio_data_and_prediction_general_relativityLas ondas gravitatorias son extremadamente débiles y se caracterizan por su amplitud h. La sensibilidad de un dectector de ondas gravitatorias viene dado por el cociente dL/L, que en el caso de LISA, con L igual a 5 millones de kilómetros y dL sólo de 0.05 picómetros, resulta en h > 10-23, LIGO es algo menos sensible (pero para ondas de frecuencia diferente). Para más información sobre LISA recomiendo “LISA: Probing the Universe with Gravitational Waves,” Version 1.0, January 19, 2007.

La generación de ondas gravitatorias en laboratorio y su posterior detección está más allá de los límites de la sensibilidad de la tecnología actual, por lo que hay que recurrir a fuentes astrofísicas y cosmológicas que involucran intensos campos gravitatorios. Actualmente se tiene una evidencia (indirecta) muy fiable sobre la existencia de ondas gravitatorias gracias a la reducción del periodo orbital observada en púlsares (Premio Nobel de Física en 1993 para Taylor y Hulse). El más estudiado es PSR 1913+16 y como indica la figura de la derecha, la fórmula de Einstein para la radiación gravitatoria explica perfectamente su comportamiento.

La radiación gravitatoria de PSR 1913+16 es demasiado débil para ser detectada en la Tierra (estamos muy lejos). Se necesitan fuentes mucho más intensas de radiación, como OJ 287, una galaxia muy lejana con un superagujero negro central rodeado por un agujero negro que acabará cayendo en su interior en unos 10 mil años. Se cree que LISA podrá detectar este tipo de ondas gravitatorias (muy intensas en su fuente, pero muy alejadas de nosotros). Más información sobre este objeto en “OJ 287: Agujero binario en el centro de una galaxia,” Observatorio de Calar Alto, 17 de Abril 2008.

Dibujo20090814_LISA_space_location_and_cartoon

4 pensamientos en “Ondas gravitatorias, su presente en LIGO y su futuro en LISA

  1. ¿a qué te refieres con onda de materia ?¿y la partícula de la que hablas, se refiere a algo que viaja entre 2 cuerpos?

  2. Teniendo en cuenta lo anterior, puede ser que fuertes explosiones solares llegaran a producir ondas gravitatorias con llegada al planeta?

  3. Pues según la teoría del todo de Valdeandemagico, las ondas de gravedad y las electromagnéticas, son iguales, solo que la unas son entrantes y las otras salientes. Pero siempre tiene que haber un equilibrio entre lo que entra y lo que sale, luego las dos son igual de fuertes, o igual de débiles, depende como se quiera ver…

    Lógicamente medir lo que sale es realmente fácil, así como manipular lo saliente, pero medir lo que entra y manipularlo, es muy difícil, a no ser que se utilice una forma radicalmente diferente de ver las cosas, como lo hace la teoría del todo de Valdeandemagico.

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