sábado, 29 de abril del 2017 Fecha
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¿Las Ondas Gravitacionales del Big Bang?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Ondas gravitacionales    ~    Comentarios Comments (0)

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Ciencia

Logran determinar cómo son las ondas gravitacionales del Big Bang

 

La fuente de esa señal sería un fenómeno cosmológico perdido en la noche de los tiempos, el «oscilón»

Esta es la señal que los físicos experimentales deben buscar en sus detectores para encontrar las ondas gravitacionales del <a href=Big Bang" />

Esta es la señal que los físicos experimentales deben buscar en sus detectores para encontrar las ondas gravitacionales del Big Bang – Departamento de Física de la Universidad de Basilea

Reportaje de ABC-Ciencia

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Un equipo de físicos teóricos de la universidad suiza de Basilea ha conseguido, por primera vez, calcular las caracteríasticas que debe tener la señal que delate a las ondas gravitacionales primigenias, las emitidas apenas una fracción de segundo después del Big Bang. La fuente de esa señal sería un fenómeno cosmológico perdido en la noche de los tiempos, el “oscilón”. El trabajo se acaba de publicar en Physical Review Letters. Gracias a este estudio, los cientííficos que manejan los detectores de ondas gravitacionales sabrán, por fin, cómo es exactamente la señal que deberán buscar para localizar estas antiquísimas ondas, y podrán así extraer de ellas información directa del instante en que se originó el Universo.

A pesar de que Albert Einstein predijo las ondas gravitacionales hace ya un siglo, su existencia no pudo probarse experimentalmente hasta finales de 2015, cuando los detectores LIGO, en Estados Unidos, lograron captar las ondas producidas durante la fusión de dos lejanos agujeros negros.

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Las ondas gravitacionales son completamente diferentes de cualquier otra clase de onda. De hecho, a medida que viajan por el Universo, tienen el efecto de encoger y estirar el mismísimo espacio-tiempo. En otras palabras, distorsionan a su paso la geometría del espacio mismo, de una forma similar a la que lo hace una onda en el agua. A pesar de que cualquier masa acelerada está emitiendo ondas gravitacionales, sólo somos capaces de medir aquellas que proceden de masas extremadamente grandes, como es el caso de los agujeros negros o las supernovas.

Sin embargo, las ondas gravitacionales no solo proporcionan información sobre los eventos más violentos, sino que pueden ofrecernos valiosísimas pistas sobre cómo se formó el Universo mismo. Precisamente para eso, para lograr aprender más sobre las primerísimas etapas de existencia del Universo, el profesor Stefan Antusch y su equipo del Departamento de Física de la Universidad de Basilea han llevado a cabo una exhaustiva investigación sobre lo que se conoce como el “fondo estocástico” de las ondas gravitacionales.

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Dicho fondo consiste en una suerte de mezcla de ondas gravitacionales procedentes de un gran número de fuentes distintas. Esas ondas se superponen unas a otras, produciendo un amplio espectro de frecuencias. Lo que hicieron los investigadores fue calcular los rangos de frecuencia y las intensidades de esas ondas, de modo que puedan ser corroboradas por futuros experimentos con detectores.

Poco después del Big Bang, el Universo entero era aún muy pequeño, muy denso y muy caliente. “Imagine algo del tamaño de un balón de fútbol”, explica Antusch. Todo el Universo estaba comprimido en ese espacio tan pequeño, y su interior era extremadamente turbulento. Los cosmólogos creen que, en esa fase tan temprana, todo el Universo estaba dominado por un único tipo de partícula llamada “inflatón”, y su campo asociado. El inflatón (cuya existencia aún no ha sido demostrada experimentalmente) habría sido responsable del periodo de inflación sufrido por el Universo naciente, unos pocos instantes durante los cuales multiplicó su tamaño de forma explosiva, pasando del balón de fútbol a ser apenas mil veces más pequeño que el actual.

Burbujas en el espacio

 

 

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Los inflatones, según la teoría, sufrieron intensas fluctuaciones con unas características muy especiales. Y formaron grumos o burbujas que oscilaban en regiones muy localizadas del espacio. Dichas regiones se denominan “oscilones”, y pueden imaginarse como ondas estacionarias. “Aunque los oscilones ya han dejado de existir -afirma Antusch- las ondas gravitacionales que emitieron son omnipresentes, y podemos usarlas para mirar más hacia el pasado que nunca”. En efecto, cualquier estudio cosmológico actual se basa en datos extraídos de radiaciones electromagnéticas, y por eso solo es posible llegar hasta unos 300.000 años después del Big Bang, cuando el Universo se hizo transparente a la radiación. Pero gracias a las ondas gravitacionales del Big Bang tendremos, por primera vez, una forma directa de observar lo que pasó casi en el momento mismo de la creación.

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Utilizando simulaciones numéricas, los físicos de Basilea fueron capaces de calcular la forma que debería tener la señal de los oscilones, emitida apenas unas fracciones de segundo después del Big Bang. Sobre los gráficos (en la imagen), la señal aparece como un pronunciado pico surgiendo del amplio espectro de las varias ondas gravitacionales. “Antes de nuestros cálculos -explica Antusch- no habíamos pensado que los oscilones pudieran producir una señal tan fuerte en una frecuencia específica. Ahora, el paso siguiente es que los físicos experimentales demuestren la existencia de esa señal usando sus detectores”.

Ondas Gravitacionales… ¿Qué puede implicar su conocimiento?

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Ondas Gravitacionales: Implicaciones del descubrimiento para la ciencia y para la humanidad

 

Ondas gravitacionales

Simulación informática de ondas gravitacionales durante una colisión de dos agujeros negros. Crédito: MPI for Gravitational Physics/W.Benger-Zib.

 

Miles de personas en todo el mundo celebraron hace ya algún tiempo el anuncio de la primera detección directa de las ondas gravitacionales – ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo cuya existencia fue propuesta por primera vez por Albert Einstein, en 1916.

Las ondas tienen su origen en dos agujeros negros en rotación mutua, cada vez a menor distancia, hasta que finalmente colisionaron. El recientemente renovado “Large Interferometer Gravitational Wave Observatory” (LIGO) capturó la señal el 14 de septiembre de 2015. No todos los descubrimientos científicos reciben tantísima atención, de modo que, ¿cuál es exactamente la clave de éste, y cuál es el futuro de LIGO ahora que ha detectado estas elusivas ondas?

En primer lugar, detectar la colisión de dos agujeros negros es excitante en sí mismo – nadie sabía con certeza si los agujeros negros podían unirse para crear nuevos agujeros negros aún más masivos, pero ahora existe una prueba física. Y también está la alegría de finalmente tener una prueba directa que se predijo hace 100 años, utilizando un instrumento propuesto cuatro décadas atrás.

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       Al final sólo queda uno mayor

Pero lo que es realmente monumental de la detección es que proporciona a la humanidad la capacidad de ver el universo de un modo totalmente nuevo, dicen los científicos. La capacidad de detectar directamente ondas gravitacionales – que se generan por la aceleración o desaceleración de objetos masivos en el espacio – se ha comparado con la posibilidad de que una persona sorda de repente pudiera ser capaz de oír. Un ámbito totalmente nuevo de información está ahora disponible.

“Es como cuando Galileo apuntó por primera vez un telescopio hacia el cielo”, afirmó la miembro del equipo de LIGO Vassiliki (Vicky) Kalogera, profesora de física y astronomía en la Universidad de Northwestern, en Illinois. “Estamos abriendo los ojos – en este caso, nuestros oídos – a un nuevo conjunto de señales del universo que las tecnologías anteriores no nos permitían recibir, estudiar o analizar”.

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“Hasta hoy, hemos sido sordos en cuanto a las ondas gravitacionales”, dijo David Reitze, Director Ejecutivo de LIGO en el California Institute of Technology (Caltech), durante la ceremonia del anuncio del descubrimiento en Washington, D.C. “A partir de ahora escucharemos más cosas, y sin duda oiremos cosas que esperábamos… pero también otras que jamás hubiéramos esperado”.

Con este nuevo sentido para percibir el universo, éstos son varios de los descubrimientos que los científicos esperan realizar.

Una nueva ventana al universo

LIGO es particularmente sensible a las ondas gravitacionales causadas por eventos cósmicos violentos, como la colisión de dos objetos masivos o la explosión de una estrella. El observatorio tiene el potencial de localizar estos objetos o eventos antes de que puedan hacerlo los telescopios que captan la luz, y en varios casos, las observaciones de ondas gravitacionales serían la única forma de encontrar y estudiar estos acontecimientos.

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Por ejemplo, durante el reciente anuncio se informó que LIGO había identificado dos agujeros negros rodeándose mutuamente y posteriormente fusionándose en una energética colisión final. Como su nombre indica, los agujeros negros no emiten luz, o sea que son invisibles para los telescopios que observan y estudian la radiación electromagnética. Algunos agujeros negros son visibles para los telescopios basados en luz, por la radiación del material que los rodea, pero los astrónomos no han observado ejemplos de fusiones de agujeros negros con material visible a su alrededor.

Además, los agujeros negros detectados por LIGO tienen una masa 29 y 36 veces mayor que la del Sol respectivamente. Pero Reitze dijo que a medida que la sensibilidad de LIGO sigue aumentando, el instrumento podría detectar agujeros negros con una masa 100, 200 o incluso 500 veces superior a la del sol, y que están más lejos de la Tierra. “Podría haber un espectacular espacio para el descubrimiento una vez lleguemos a allí”, dijo.

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              Observatorio de Rayos X Chandra

Los físicos saben que estudiar el cielo con distintas longitudes de onda revela nuevos datos acerca del cosmos. Durante muchos siglos, los astrónomos sólo podían trabajar con luz óptica. Pero en tiempos relativamente recientes, se construyeron instrumentos para estudiar el universo usando rayos X, ondas de radio, ondas ultravioleta y rayos gamma. Con cada uno, los científicos obtuvieron una nueva visión del universo.

Del mismo modo, las ondas gravitacionales tienen el potencial para mostrar cualidades totalmente nuevas de los objetos cósmicos, explicaron los miembros del equipo de LIGO.

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ASASSN-15lh fue descubierto el año pasado durante un sondeo automatizado de todo el cielo en busca de supernovas, estrellas en explosión que liberan enormes cantidades de energía y luz.

El punto luminoso fue detectado y clasificado como una supernova superluminosa, es decir, la explosión, al final de su vida, de una estrella “extremadamente” masiva.

“Si alguna vez tuviéramos la suerte de ver una supernova en nuestra propia galaxia, o quizás en una galaxia cercana, seríamos capaces de observar la dinámica real de lo que sucede en el interior de una supernova”, dijo el cofundador de LIGO Rainer Weiss del MIT, quien habló en la ceremonia del anuncio. Mientras la luz suele quedar escondida tras el polvo y el gas, “las ondas gravitacionales salen directamente [de la supernova], sin ningún impedimento”, explicó Weiss. “Es por esto que realmente se puede descubrir lo que sucede dentro de estos objetos”.

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Otros objetos exóticos que los científicos esperan estudiar con las ondas gravitacionales son las estrellas de neutrones, que son cadáveres de estrellas consumidas inimaginablemente densas. Una cucharada de café de la materia de una estrella de neutrones pesaría unos mil millones de toneladas en la Tierra. Los físicos no están seguros de lo que le ocurre a la materia normal bajo estas extremas condiciones, pero las ondas gravitacionales pueden ofrecer pistas muy útiles, porque estas ondas deberían transmitirnos información acerca del interior de una estrella de neutrones, afirmó el equipo de LIGO.

LIGO también tiene un sistema configurado para alertar a los telescopios ópticos cuando el detector puede haber detectado una onda gravitacional. Algunos de los acontecimientos astronómicos que LIGO estudiará, como la colisión de estrellas de neutrones, pueden producir luz en todas las longitudes de onda, desde rayos gamma a ondas de radio. Con el sistema de alerta de LIGO, los físicos podrían observar algunos acontecimientos astronómicos u objetos en varias longitudes de onda de la luz, más las ondas gravitacionales, lo que proporcionaría una “visión muy completa” de esos eventos, dijo Reitze.

“Cuando suceda será, creo, el próximo gran acontecimiento en este campo”, añadió.

Relatividad

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Las ondas gravitacionales fueron pronosticadas por primera vez por la teoría de la relatividad de Einstein, publicada en 1916. Esta famosa teoría ha resistido todo tipo de pruebas físicas, pero hay ciertos aspectos que los científicos no han podido estudiar en el mundo real, porque requieren circunstancias extremas. La extrema deformación del espacio-tiempo es un ejemplo de ello.

“Hasta hoy, sólo hemos visto espacio-tiempo distorsionado cuando hay mucha calma – como si viéramos la superficie del océano durante un día muy tranquilo”, explicó Kip Thorne de Caltech, otro miembro fundador de LIGO y experto en la curvatura del espacio-tiempo. “Nunca habíamos visto el océano agitado durante una tormenta, con olas chocando. Todo esto cambió el 14 de septiembre. La colisión de los agujeros negros que causaron estas ondas gravitacionales crearon una violenta tormenta en el tejido del espacio-tiempo”.

“Esta observación prueba esos supuestos de forma muy bella, muy contundente”, prosiguió Thorne, “y Einstein reaparece con un brillante éxito”.

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Pero el estudio de la relatividad general vía ondas gravitacionales está lejos de haber concluido. Quedan por resolver preguntas acerca de la naturaleza del gravitón, la partícula que supuestamente transporta la fuerza gravitacional (del mismo modo que el fotón es la partícula que transporta la fuerza electromagnética). Y los científicos tienen muchas interrogantes alrededor de lo que sucede en el interior de los agujeros negros, que las ondas gravitacionales podrían iluminar (por decirlo de algún modo). Pero todo esto, dicen los físicos, será revelado lentamente, a lo largo de los años, a medida que LIGO y otros instrumentos acumulen más datos sobre otros eventos.

Un legado para el futuro

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En los próximos tres años los esfuerzos se centrarán en incrementar la sensibilidad de LIGO hasta su máximo potencial, anunció Reitze. El observatorio – que consiste en dos grandes detectores, uno en Louisiana y el otro en el Estado de Washington — será más sensible a las ondas gravitacionales. Pero los expertos no saben cuántos acontecimientos será capaz de ver LIGO, porque desconocen la frecuencia de estos eventos en el universo.

LIGO detectó la fusión de los agujeros negros binarios incluso antes de la primera campaña de observación oficial del instrumento tras su reciente renovación, pero es posible que fuera sólo un golpe de suerte. Para poner en marcha el tren de la astronomía gravitacional, LIGO simplemente necesita más datos.

Cuando se le pidió que comentara el impacto de LIGO en el mundo más allá de la comunidad científica, y cómo puede influir la ciencia de las ondas gravitacionales en el día a día de la gente, Reitzer dijo: “¿Quién sabe?”.

“Cuando Einstein predijo la relatividad general, ¿quién hubiera pronosticado que la usaríamos diariamente en nuestros teléfonos móviles?”, preguntó. (La relatividad general proporciona el conocimiento de cómo la gravedad influye sobre el paso del tiempo, y esta información es necesaria para la tecnología de los GPS, que usa satélites que orbitan más lejos de la atracción gravitatoria de la Tierra de la que siente la gente en la superficie).

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            LIGO es mucho más de lo que podemos ver en la superficie, es una sofisticada estructura

LIGO es el “instrumento más sensible jamás construido”, dijo Reitze, y los avances tecnológicos realizados durante la construcción del observatorio pueden alimentar tecnologías que serán utilizadas en formas que todavía no se pueden predecir.

Thorne comentó que él ve la contribución de LIGO de manera algo distinta.

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“Cuando recordamos la era del Renacimiento y nos preguntamos, ‘¿Qué aportaron los humanos de esa era que tenga importancia para nosotros hoy en día?’, creo que todos estaríamos de acuerdo en que es el arte, una gran arquitectura y una gran música. De modo similar, cuando nuestros descendientes miren atrás hacia nosotros y se pregunten qué fue lo que les dejamos en herencia… Creo que será la comprensión de las leyes fundamentales del universo y de su función en el cosmos, así como la exploración espacial”, dijo Thorne.

“LIGO es una parte importante de esto. El resto de la astronomía también supone una parte importante de esto. Y pienso que la herencia cultural para las futuras generaciones es realmente mucho más grande que cualquier tipo de derivado tecnológico, o los avances tecnológicos de cualquier tipo. Creo que debemos estar orgullosos del legado que dejaremos a nuestros descendientes culturalmente”.

Fuente: SPACE

Todo lo que podamos imaginar… ¡Se puede hacer realidad!

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La Sinfonía de los Agujeros Negros binarios, ¿La oiremos alguna vez?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (1)

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 Hace ya algún tiempo que se puso este trabajo en el Blog, su Título:

La Sinfonía de los Agujeros Negros binarios, ¿La oiremos alguna vez?

Me parece al caso traer aquí este trabajo que puse hace algún tiempo ya, toda vez que el reciente hallazgo de las Ondas gravitacionales lo ha renovado y su contenido puede resultar interesante al filo de la noticia. Decía por aquel entonces:

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         Kip Stephen Thorne

Lo que nos cuentan Kip S. Thorne y  otros especialistas en Agujeros negros nos posibilitan para entender algo mejor los mecanismos de estos extraños objetos que aún esconden misterios que no hemos sabido resolver. Está claro que muchas de las cosas que sobre agujeros negros podemos leer, son en realidad, especulaciones de cosas que se deducen por señales obervadas pero que, de ninguna manera, se pueden tomar como irrefutables verdades, más bien, las tomaremos como probables o muy probables de acuerdo a los resultados obtenidos de muchos experimentos y, ¿por qué no? de muchas horas de prácticas teóricas y pizarras llenas de ecuaciones que tratan de llegar al fondo de un saber que, desde luego, nos daría la clave de muchas cuestiones que en nuestro Universo son aún desconocidas.

 

En el corazón de una galaxia lejana, a más de 1.000 millones de años-luz de la Tierra y hace 1.000 millones de años, se acumuló un denso aglomerado de gas y cientos de millones de estrellas. El aglomerado se contrajo gradualmente, a medida que algunas estrellas escapaban y los 100 millones de estrellas restantes se hundían más hacia el centro. Al cabo de 100 millones de años, el aglomerado se había contraído hasta un tamaño de varios años-luz, y pequeñas estrellas empezaron, ocasionalmente, a colisionar y fusionarse, formando estrellas mayores. Las estrellas mayores consumieron su combustible y luego implosionaron para formar agujeros negros; y, en ocasiones, cuando dos de estos agujeros pasaban uno cerca del otro, quedaban ligados formando pares en los que cada agujero giraba en órbita alrededor del otro.

Cuando se forma un par de agujeros negros binarios semejantes, cada agujero crea un pozo profundo (intensa curvatura espacio-temporal) en la superficie insertada y, a medida que los agujeros giran uno en torno al otro, los pozos en órbita producen ondulaciones de curvatura que se propagan hacia afuera a la velocidad de la luz. Las ondulaciones forman una espiral en el tejido del espacio-tiempo en torno al sistema binario, muy semejante a la estructura espiral del agua que procede de un aspersor de cesped que gira rápidamente. Los fragmentos de curvatura forman un conjunto de crestas y valles en espiral en el tejido espacio-temporal.

http://eltamiz.com/wp-content/uploads/2007/12/onda-gravitatoria1.jpg

Puesto que la curvatura-espaciotemporal es lo mismo que la gravedad, estas ondulaciones de curvatura son realmente ondas de gravedad, u ondas gravitatorias. La Teoría de la Relatividad General de Einstein predice, de forma inequívoca, que tales ondas gravitatorias deben producirse siempre que dos agujeros negros orbiten uno en torno al otro.

Cuando parten hacia el espacio exterior, las ondas gravitacionales producen una reacción sobre los agujeros de la misma forma que una bala hace retroceder el fusil que la dispara. El retroceso producido por las ondas aproxima más los agujeros y les hace moverse a velocidades mayores; es decir, hacen que se muevan en una espiral que se cierra lentamente y hace que se vayan acercando el uno hacia el otro. Al cerrarse la espiral se genera poco a poco energía gravitatoria, una mitad de la cual va a las ondas y la otra mitad va a incrementar las velocidades orbitales de los agujeros.

 

El movimiento en espiral de los agujeros es lento al principio; luego, a medida que los agujeros se acercan, se mueven con mayor velocidad, radian sus ondulaciones de curvatura con más intensidad, y pierden ene´rgía y se cierran en espiral con más rapidez. Finalmente, cuando cada agujero se está moviendo a una velocidad cercana a la de la luz, sus horizontes se tocan y se fusionan. Donde una vez hubo dos agujeros, ahora sólo hay uno.

http://chandra.harvard.edu/photo/2005/j0806/j0806_2panel.jpg

El horizonmte del agujero giratorio queda perfectamente liso y con su sección ecuatorial circular, con la forma descrita precisamente  por la solución de Kerr a la ecuación de campo de Einstein. Cuando se examina el agujero negro liso final, no hay ningún modo de descubrir su historia pasada. No es posible distinguir si fue creado por la coalescencia de dos agujeros más pequeños, o por la implosión directa de una estrella supermasiva construida por materia, o por la implosión directa de una estrella constituida por antimateria. El agujero negro no tiene “pelo” a partir del cual se pueda descifrar su historia.

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También dos estrellas de neutrones pueden producir ondas

Sin embargo, la historia no se ha perdido por completo: ha quedado un registro codificado en las ondulaciones de la curvatura espacio-temporal que emitieron los agujeros coalescentes. Dichas ondulaciones de curvatura son muy parecidas a las ondas sonoras de una sinfonía. De la misma forma que la sinfonía está codificada en las modulaciones de las ondas sonaras (mayor amplitu aquí, menor allí), también la historia de la coalescencia está codificada en modulaciones de las ondulaciones de curvatura. Y de la misma forma que las ondas sonoras llevan su sinfonía codificada desde la oequesta que la produce hasta la audiencia, también las ondulaciones de curvatura llevan su historia codificada desde los agujeros fusionados hasta los rincones más lejanos del Universo lejano.

http://www.empresasdechihuahua.com/html/Universos/images/paralelo.jpg

Las ondulaciones de curvatura viajan hacia afuera por el tejido del espacio-tiempo a través del conglomerado de estrellas y gas del que nacieron los agujeros. El aglomerado no absorbe las ondulaciones ni las distorsiona en absoluto; la historia codificada de las ondulaciones permanece perfectamente invariable, se expanden hacia el exterior de la galaxia madre del aglomerado y el espacio intergaláctico, atraviesan el cúmulo de galaxias del que forma parte la galaxia progenitora, luego siguen atravesando un cúmulo de galaxias tras otro hasta llegar a nuestro propio cúmulo, dentro del cual está nuestra Vía Láctea con nuestro Sistema Solar, atraviesan la Tierra, y continúan hacia otras galaxias distantes.

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Claro que, en toda esta historia hay un fallo, nosotros, los humanos, aún no somos lo suficientemente hábiles para haber podido construir aparatos capaces de detectar y oir las sinfonías  mencionadas con entusiamos por el Sr. Thorne y, que según el cree, son mensajes que nos traen esas ondas de gravedad de los agujeros negros binarios. Es como si no pudiéramos oir esa hermosa sinfonía que nos mostraría un nuevo Universo por nosotros desconocido. Ahora sabemos que por medio de potentes telescopios podemos conocer lo que es el Universo, podemos observar galaxias lejanas y estudiar cúmulos de galaxias o de estrellas y captar las imágenes de bonitas Nebulosas, todo eso es posible gracias a que al captar la luz que emitieron esos objetos cosmológicos hace decenas, cientos, miles o millones de años como señal electromagnética que viajando a la velociodad de c, hace posible que podamos ver lo observado como era entonces, en aquel pasado más o menos lejano. De la misma manera, se cree que, las ondas gravitatorias emitidas por estos objetos misteriosos, se podrán llegar a captar con tal claridad que nos permitirá saber de otra faseta (ahora) desconocida del Universo, y, sobre todo, podremos entender el pasado de esos densos objetos que, de momento, nos resultan exóticos y también extraños.

emilio silvera

El descubrimiento del siglo

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KIP THORNE, el físico experto en Agujeros Negros que vaticinó el hallazco de las Ondas Gravitacionales y fue también, el impulsor del Programa LIGO para localizarlas.

Reportaje de Prensa

La revista ‘Science’ elige las ondas gravitacionales como el hallazgo más relevante de 2016. La autora de este texto es la jefa del único grupo español en el experimento LIGO

Un científico observa una representación de las ondas gravitacionales durante la presentación del descubrimiento, el 11 de febrero pasado EFE/Julian Stratenschulte / VÍDEO: QUALITY

No me cabe la menor duda que 2016 será un año que difícilmente olvidaré. Este ha sido un año de grandes avances científicos en muchos campos y de importantes descubrimientos, pero, entre todos ellos, uno ha sido muy especial para mí y mis colaboradores: las primeras observaciones de ondas gravitacionales con LIGO.

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Desde que el pasado 11 de febrero, después de minuciosos análisis, las colaboraciones científicas LIGO y Virgo anunciaran la primera detección directa de ondas gravitacionales y la primera observación de la fusión de un sistema binario de agujeros negros, las desconocidas ondas gravitacionales han acaparado la atención de los medios y de la mayoría de los más prestigiosos premios internacionales. Esto no es de extrañar, ya que estas primeras detecciones directas de ondas gravitacionales han sido sin duda uno de los logros científicos más importantes del siglo, no solo porque han servido para validar uno de los pilares de la física moderna, la teoría de la relatividad general, precisamente en su centenario, sino también porque se abre una nueva ventana desde la que observar al Universo, con el potencial de descubrir sistemas astronómicos ahora inimaginables.

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                                                                    Programa LIGO

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¿Qué duda nos puede caber? Ha sido un gran paso para conocer de manera diferente el Universo

Estas primeras detecciones directas de ondas gravitacionales han servido para validar uno de los pilares de la física moderna, la teoría de la relatividad general, y también se abre una nueva ventana desde la que observar al Universo

 

 

Personalmente, después de haber dedicado 20 años de mi carrera a la caracterización de los instrumentos, al desarrollo de algoritmos específicos para poder extraer minúsculas señales del ruido y al estudio del potencial científico de distintos detectores, este descubrimiento me ha llenado de una gran satisfacción.

La historia de los detectores de ondas gravitacionales se remonta a los años 60. Aún así la búsqueda de ondas gravitacionales no ha hecho más que empezar. En los próximos años, a medida que los detectores avanzados LIGO y Virgo se acerquen a su sensibilidad de diseño, observaremos de forma regular algunos de los fenómenos más energéticos y violentos del universo. Lo que será decisivo en el avance de la física fundamental, astrofísica y cosmología, permitiéndonos explorar importantes cuestiones, como por ejemplo cómo se forman los agujeros negros, si la relatividad general es la descripción correcta de la gravedad, o cómo se comporta la materia bajo condiciones extremas. En un futuro, nuevas generaciones de detectores permitirán hacer astronomía de alta precisión, como por ejemplo el detector europeo “Einstein Telescope” o el observatorio de la Agencia Espacial Europea “LISA”, que podrían empezar a operar en la década de los 30.

Resultado de imagen de Programa del Interferómetro  LIGO
Gracias a los desarrollos tecnológicos, los interferómetros LIGO son capaces de operar al borde de los limites fundamentales de la física, siendo los instrumentos ópticos más sensibles jamás construidos. Utilizando luz láser, son capaces de comparar la longitud de sus brazos con una precisión superior a 1/10.000 partes del diámetro de un protón. Nuestro grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de les Illes Balears está totalmente volcado en el análisis de los datos de estos detectores. También estamos involucrados en el desarrollo y optimización de algoritmos específicos de búsquedas junto con la construcción de catálogos de patrones de ondas gravitacionales, que son imprescindible para estudiar las fusiones de sistemas binarios, como los descubiertos este año.

En estos momentos, los detectores LIGO vuelven a estar operando en modo de observación, aunque su funcionamiento se interrumpirá durante las vacaciones. Todos nosotros estamos ansiosos y preparados para que la naturaleza nos sorprenda de nuevo y poderlo contar. Pero parece claro que este año no habrá ninguna alerta el día de Navidad.

Alicia Sintes es investigadora principal del grupo de la colaboración científica LIGO en la Universitat de les Illes Balears

Nueva manera de mirar el Universo

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Publicado en el Pais, apartado de Ciencia

Biografía íntima de la primera onda gravitacional

Un estudio reconstruye el origen remoto del primer ‘sonido’ del universo, hace más de 11.000 millones de años

Telescopios como el de la imagen (en Chile) ayudan a entender el origen del Universo.

Telescopios como el de la imagen (en Chile) ayudan a entender el origen del Universo. Fermilab

La historia de la primera onda gravitacional detectada por un experimento humano es casi tan antigua como el Universo. Así lo indica un estudio publicado hoy que reconstruye hasta su origen más remoto la señal captada en septiembre de 2015 por el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), uno de los descubrimientos más importantes de esta década.

Hace un siglo, Albert Einstein predijo que, de acuerdo con la teoría de la relatividad, los fenómenos más violentos del cosmos deberían producir intensos estallidos de energía que viajaría a la velocidad de la luz en forma de ondas gravitatorias. Estas ondulaciones curvan el espacio y el tiempo a su paso y se expanden en todas direcciones durante miles de millones de años. Pero detectarlas en la Tierra era imposible. El origen de estos fenómenos está tan lejos y sus señales atraviesan tanto espacio que al llegar al Sistema Solar son imperceptibles incluso con la tecnología más avanzada, pensó el genio alemán.

Ahora sabemos que se equivocó en el detalle y acertó, como siempre, en lo importante. La primera señal de ondas gravitatorias se captó en septiembre de 2015 y fue anunciada en febrero. La produjo la fusión de dos agujeros negros, cada uno unas 30 veces con más masa que el Sol, y sucedió hace unos 1.300 millones de años, cuando todos los terrícolas eran microbios incapaces de entender qué estaba pasando.

Comparison of merger rates and masses with O1 LIGO results.

El nuevo estudio, publicado hoy en Nature, aclara cómo se formaron esos dos agujeros negros. El trabajo lo firman cuatro científicos expertos en cosmología y relatividad computacional de la Universidad de Chicago y el Instituto de Tecnología de Rochester, ambos en EE UU, y la Universidad de Varsovia, en Polonia. Han creado un modelo informático que reconstruye la historia del universo y permite estimar qué tipo de cuerpos celestes podrían producir una señal como la detectada por LIGO. Para esto han necesitado usar Atlas, el mayor superordenador dedicado al estudio de ondas gravitacionales del mundo, y además algo de tiempo de computación de miles de PCs de ciudadanos interesados por la ciencia a través del proyecto Universe@home.

Ahora sabemos que Einstein se equivocó en el detalle y acertó, como siempre, en lo importante

 

Los resultados muestran que, para viajar hasta la semilla de la primera onda gravitacional, hay que remontarse a unos 2.000 millones de años después del Big Bang. En aquel universo adolescente se formaron dos estrellas que tenían cada una al menos 40 veces más masa que el Sol y que estaban peligrosamente juntas. Es lo que los astrónomos llaman un sistema binario, dos astros que orbitan el uno en torno al otro y que, con cada vuelta, recortan un poco la distancia que los separa.

Las dos estrellas estaban entre las más brillantes y grandes de todo el Universo, según J. J. Eldridge, físico de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda). El científico razona que, si los cálculos del estudio son correctos, estos dos astros contribuyeron a que el Universo saliese de la llamada Edad oscura, un paso fundamental en la línea de eventos que lleva hasta nosotros pues, de no haberse superado esta etapa no habría estrellas, galaxias ni vida.

Cuatro millones de años después de su nacimiento, un instante en términos cosmológicos, a una de las dos estrellas se le agotó el combustible. Su enorme núcleo se derrumbó sobre sí mismo creando un punto matemático de volumen cero y densidad infinita. Nada, ni siquiera la luz de su estrella compañera ni cualquier otra en todo el Universo era capaz de escapar a su atracción si se acercaba demasiado. Era un agujero negro de unas 30 masas solares. Pasado otro millón de años, su estrella compañera sufrió idéntica metamorfosis.

Ambos monstruos estaban separados por unos 34 millones de kilómetros, bastante menos distancia que un viaje espacial de la Tierra a Marte. Según los cálculos del estudio, la atracción gravitatoria entre ambos fue royendo centímetros a esa separación hasta que, 10.000 millones de años después, acabaron fundiéndose en un violento abrazo. La unión formó un gran agujero negro y liberó en fracciones de segundo toda la energía que cabría en tres estrellas como el Sol. Si alguien hubiese estado cerca, hubiera vivido una letal tormenta donde el espacio se estiró y se contrajo como un chicle y el tiempo osciló de forma caótica entre el pasado y el futuro.

Las ondas gravitacionales producidas por esta fusión siguieron avanzando hasta que, ya reducidas a una vibración menor que la milésima parte del diámetro de un protón, pasados 1.300 millones de años, fueron captadas por los haces de luz láser del experimento LIGO, instalados en Luisiana y Washington, con un pequeñísimo retardo que permitió determinar la región del universo desde la que llegaban. La noticia causó una enorme expectación que alcanzó las portadas de los mejores periódicos del mundo. Einstein era reivindicado una vez más, justo 100 años después de su predicción, y se abría una nueva era para la exploración y comprensión del cosmos. Si no es la mejor historia jamás contada, por lo menos es una de las más largas: 11.700 millones de años de principio a fin.

 

Mil fusiones al año

Una de las principales utilidades de los observatorios de ondas gravitacionales como LIGO o el europeo Virgo es reconstruir la evolución del universo. Permiten saber cómo y dónde nacen los agujeros negros, cómo se transforman y estimar cuántos hay en el universo observable. De hecho hasta ahora las observaciones de estos monstruos del cosmos, que influyen de forma fundamental en la evolución de todas las galaxias, incluida la nuestra, eran indirectas.

El objetivo ahora es ir sumando detecciones de ondas que aclaren todos estos asuntos. Según el estudio publicado hoy, se detectarán unas 1.000 fusiones de agujeros negros similares a las captadas hasta ahora cada año una vez que LIGO y el resto de observatorios alcancen su máxima sensibilidad.