10/Nov/05
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A un paso de que la ciencia pueda detectar la radiación gravitacional
Una nueva generación de interferómetros de láser se apresta a detectar la radiación gravitacional, fuente de conocimiento y mensaje del Universo que da
comienzo a una nueva disciplina astronómica. Físicos de la UIB (Universitat de les Illes Balears, España) participan en un proyecto que sentará las bases teóricas
para descifrar la última predicción de Einstein.
(Varios medios) - Al fin de un polvoriento camino que corre al borde de un soñoliento pueblo en el norte de Alemania, los científicos están cerca de culminar su
búsqueda de 40 años del santo grial de la Física.
Nos encontramos en Ruthe, cerca de la ciudad de Hanover, donde se alberga el interferómetro anglo-alemán GEO600, un instrumento tan sensible que puede
detectar un movimiento de una milésima de millonénisma de millonésima de milímetro en un objeto (10-15 mm).
El equipo que trabaja con este instrumento cree que faltan apenas unos meses para que la humanidad detecte por primera vez las ondas gravitatorias, es decir,
corrimientos en el espacio-tiempo causados por el movimiento de cuerpos con masas astronómicas.
Si esto resulta cierto, el descubrimiento creará una nueva forma de observar los eventos que se producen en el cosmos, además de confirmar la Teoría General
de la Relatividad de Einstein y, potencialmente, dar a los astrónomos una visión sin precedentes del nacimiento del Universo, hace 13.700 millones de años.
En la otra orilla del Atlántico, científicos colegas de losalemanes conectaron ayer sus detectores a un sitio similar situado en Hanford (en el estado de Wahington),
que funcionará asociado al GEO600.
El profesor Bernard Schultz, de la Universidad de Gales en Cardiff, miembro de la directiva del equipo GEO600, ha expresado: "Hasta ahora hemos sido
capaces de aprender un montón de cosas sobre el Universo gracias a lo que podíamos ver. La habilidad de detectar y leer las ondas gravitatorias nos dará
mucha información extra acerca del Universo, como si de repente hubiésemos adquirido la capacidad de escuchar".
La larga preparación
Científicos de la UIB, en colaboración con investigadores de universidades de Valencia, Alemania, Francia, Grecia, Italia y Reino Unido, han trabajado para
sentar las bases teóricas para la posterior interpretación de uno de los mensajes más esperados del Universo, las ondas gravitacionales, todavía no detectadas
desde que Albert Einstein las predijera en su Teoría General de la Relatividad de 1916.
El profesor Carles Bona, catedrático de Física Teórica de la UIB, participa en un proyecto —UE Network— financiado por la Unión Europea, coordinado por Max Planck Institut für Gravitationsphysik de Alemania, en el que
participan además ocho instituciones científicas del continente, la Friedrich Schiller Universität Jena (Alemania); el Observatoire de París (Francia); la Universitat
de València (España); la Aristotle University of Thessaloniki (Grecia); la Universidad "La Sapienza" de Roma y la Scuola Internazionale Supeiore di Studi
Avanzati (Italia), la Universidad de Southampton y la Universidad de Portsmouth (Reino Unido).
Al mismo tiempo el profesor Jaume J. Carot es el investigador responsable de un segundo proyecto, en esta ocasión financiado por el Ministerio de Ciencia y
Tecnología, que persigue estudiar los mecanismos de producción, propagación y detección de radiación gravitatoria para aquellos objetos (estrellas, galaxias,
agujeros negros…) que presentan simetría axial. En ambos casos, el objetivo es sentar las bases matemáticas mediante simulaciones numéricas que permitirán la
interpretación de las señales que se prevé detectar en un futuro muy breve gracias al perfeccionamiento de los llamados interferómetros por láser.
Una de las principales cuestiones pendientes que tiene la Física por resolver, como si fuera una asignatura heredada desde principios del siglo pasado, es la
detección de las ondas gravitacionales, predichas por la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein en 1916.
Isaac Newton estableció la primera gran teoría de la gravitación, definiendo la gravedad como una de las fuerzas fundamentales del universo que se propaga
instantáneamente con una velocidad infinita y que afecta a la totalidad de la materia. La teoría newtoniana permite explicar la mayoría de movimientos planetarios,
pero no todos. Cuando Einstein en 1905 publicó su Teoría Especial de la Relatividad se evidenció una colisión entre ésta y la teoría gravitacional de Newton,
puesto que según la primera nada se propaga más rápidamente que la luz.
A partir de este punto Einstein tuvo que abordar una nueva teoría gravitacional. Si la gravedad newtoniana era una fuerza, la gravedad en Einstein pasa a ser una
deformación del espacio-tiempo. En realidad, para este último, el campo gravitacional de una determinada masa es la curvatura que produce en el espacio-
tiempo.
A partir de Einstein el espacio abandona la geometría euclidiana de Newton en la que entre otras cosas espacio y tiempo eran independientes. En la geometría
no-euclidiana el espacio-tiempo es deformado por una masa, de tal manera que otra masa se ve afectada por esta deformación y obligada a seguir trayectorias
distintas a las que hubiera seguido si el espacio-tiempo no hubiera estado deformado. Nada escapa a esa influencia, ni siquiera la luz.
Cabe decir que las ecuaciones de Newton y Einstein son igualmente útiles y coincidentes para los casos de gravedad débil, pero no en el caso de gravedad
fuerte.
El Departamento de Física de la UIB colabora en un proyecto europeo con otras nueve instituciones científicas del continente. El objetivo es sentar las bases
teóricas para la futura interpretación de las ondas gravitacionales que puedan ser detectadas.
En física se define como velocidad de escape aquella que tiene que tener un cuerpo para escapar de la gravedad de otro. La velocidad de escape de cualquier
cuerpo en la Tierra es de 11 km/s, unos 40.000 km/hora. Los astrofísicos dicen que hay gravedad débil cuando la velocidad de escape es menor que 30.000
km/s (el 10% de la velocidad de la luz). Superado este punto la gravedad puede considerarse fuerte y eso ocurre junto a objetos estelares masivos (estrellas de
neutrones, agujeros negros). En estos casos, sólo la Teoría General de la Relatividad de Einstein es aplicable.
Consecuencia de la Teoría General de la Relatividad es la existencia de las llamadas ondas gravitacionales. Einstein predice que la gravitación, la curvatura del
espacio-tiempo, se propaga y lo hace con la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales por tanto son alteraciones de la geometría del espacio-tiempo (o en
lenguaje clásico, alteraciones del valor de equilibrio del campo gravitatorio), que se producirían como consecuencia del desplazamiento de grandes masas,
por ejemplo, la colisión de dos estrellas de neutrones o de dos agujeros negros o en la explosión de una supernova.
El descubrimiento de las estrellas de neutrones y de los agujeros negros abrió esperanzas en la comunidad científica de cara a la detección de las ondas
predichas por Einstein. En 1973 Joseph Taylor y Robert Hulse descubrieron el pulsar binario PSR 1913+16: dos estrellas de neutrones rotando una alrededor
de la otra cada seis horas. Taylor y Hulse demostraron que el periodo orbital disminuye muy lentamente y que las fórmulas de Einstein son correctas. Además, su
estudio indica indirectamente que este objeto emite ondas gravitacionales.
Si hasta ahora la astronomía se ha basado casi íntegramente en el estudio de las radiaciones lumínica y electromagnética de los cuerpos estelares, a partir de
ahora se abren nuevas puertas para el estudio del Universo, como el estudio de los neutrinos o el de las ondas gravitacionales.
Los interferómetros por láser constituyen, en este sentido, la última generación de detectores de ondas gravitacionales y sustituyen progresivamente a los
detectores de barra (basados en la resonancia de cilindros de aluminio). Con los nuevos sistemas se pretenden detectar minúsculas oscilaciones, tan diminutas
como el diámetro de un protón.
Estos sistemas consisten (con variaciones) en dos haces de rayos láser, colocados en tubos de varios kilómetros de longitud, y dispuestos perpedicularmente.
Los rayos son reflejados de forma continua mediante la disposición de espejos que se hallan suspendidos en el interior de ambos tubos en los que previamente se
ha hecho el vacío. Después de recorrer el túnel, los dos haces se fusionan para formar una interferencia optica. En teoría, una onda gravitacional que llegara
nosotros modificaría esta interferencia de los dos haces de láser. Esta señal sería recogida y medida, proporcionando información sobre el tipo de fenómeno o
cuerpo estelar que ha provocado la onda.
En estos momentos son varios los interferómetros preparados en todo el mundo para la detección de ondas gravitacionales. Entre los interferómetros terrestres
se encuentran:
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) está instalado en Estados
Unidos. En su desarrollo han colaborado el California Institute of Technology y el Massachusetts Institute of Technology
VIRGO, consecuencia de la colaboración de Francia e Italia, esta situado en las cercanías de Pisa.
GEO es el interferómetro británico-alemán y está ubicado en Hannover.
TAMA, el proyecto japonés, ubicado en las cercanías de Tokio.
ACIGA, el proyecto australiano.
Estos interferómetros están ya en funcionamiento desde finales de 2003, si bien todavía de forma preliminar, con un nivel de precisión menor que aquel para el
que fueron diseñados. Muy pronto todos estos interferómetros de láser habrán alcanzado el nivel de precisión previsto, requerido para poder detectar las
ondas de gravitación. Todos ellos trabajaran conjuntamente, con la ventaja de que siempre habrán de ser varios observatorios los que confirmen una posible
detección de ondas gravitacionales.
Cabe añadir a estos el proyecto LISA, un observatorio espacial de ondas gravitacionales cuyo lanzamiento está previsto para el año 2011. LISA está
conjuntamente financiado por la Agencia Espacial Europea (ESA), como una misión básica del Programa de Visión Cósmica de la ESA, y la División de
Astronomía y Astrofísica de la NASA. http://lisa.jpl.nasa.gov/espanol.html
Las bases teóricas, el UE Network y la participación de la UIB
Es necesario sin embargo elaborar un corpus teórico previo, con el objeto de asegurar la correcta interpretación de una onda gravitacional detectada. Es aquí
donde los investigadores de la UIB desarrollan su labor, como pertenecientes al UE Network junto con investigadores de otras nueve instituciones europeas.
El proyecto que llevan a cabo consiste en realizar simulaciones numéricas de sistemas astrofísicos violentos, es decir que en cortos periodos de tiempo son
capaces de liberar gran cantidad de energía y que son emisores de ondas gravitacionales.
La labor, por tanto, es desarrollar formalismos teóricos para facilitar la posterior interpretación de las señales que puedan detectarse en los interferómetros de
láser.
La tarea llevada a cabo en la UIB posee una doble vertiente. Por una parte se analiza cómo pueden reformularse las ecuaciones de la Teoría General de la
Relatividad de Einstein para abordar fenómenos generadores de una gravedad fuerte, fenómenos de tipo catastrófico como los que hemos mencionado; y
por otra parte, realizar simulaciones para cada uno de los sistemas astrofísicos estudiados con el objeto de identificar a priori el tipo de onda de gravitación que
produciría.
La información previa generada, por tanto, por el grupo de la UIB es indispensable para un posterior contraste de los perfiles de las señales que puedan
detectarse en un futuro. Por ejemplo, una oscilación inicial muy elevada, seguida de oscilaciones cada vez más amortiguadas, indicaría muy posiblemente una
explosión de una supernova, descartando otros fenómenos astrofísicos. La simulación numérica, sin embargo, no acaba aquí, sino que a partir del perfil de
la señal, podría inferirse la masa de la supernova, la distancia, etc.
Si la señal, por ejemplo, no tuviera un pico inicial sino que se tratara de una señal continua finalizando con un gran engrosamiento de la onda, muy posiblemente
se trataría de un sistema binario (dos estrellas de neutrones, una estrella de neutrones y un agujero negro; o dos agujeros negros, por ejemplo), que después de
su acercamiento acaban colapsando.
La definición de cada onda permite, pues, discriminar y acotar sus posibles orígenes. Piénsese además que la detección de ondas gravitatorias (de baja energía)
se complica por el "ruido" detectado por el propio inteferómetro. Utilizando un símil radiofónico, la señal que cabe aislar es comparable a la voz del locutor
cuando la emisora se halla mal sintonizada y las interferencias son múltiples. La labor del corpus teórico desarrollado por el grupo UE Network es, por
tanto, indispensable para filtrar las señales equívocas y reforzar la señal que interesa. Este cometido es precisamente el que desarrolla la profesora Alicia
Sintes, miembro del Departamento de Física de la UIB.
El proyecto europeo es además, un proyecto que pretende mejorar la movilidad entre equipos de investigación y en el que es esencial la formación de nuevos
investigadores en este nueva rama de la astronomía que hoy esta en sus primeros estadios. La UIB ha acogido en este sentido a dos investigadores checos,
titulados de la Universidad de Praga, en sendas estancias de quince meses. A la vez, los miembros de los distintos equipos de investigación que
forman en UE Network, se reúnen periódicamente con el objetivo de poner en común los resultados.
Por su parte, el objeto de estudio del doctor Jaume J. Carot, son los cuerpos que presentan simetría axial, quiere decir esto todos aquellos que son simétricos en
torno a un eje (estrellas, galaxias y la mayoría de los objetos de interés en astrofísica). El estudio es básicamente matemático, estudiándose, entre otros aspectos,
la geometría que dichos objetos tienen en la vecindad de su eje de simetría y las implicaciones que ello supone en cuanto a la producción y propagación
de radiación gravitatoria. Asimismo, todo ello permite desarrollar códigos numéricos mejor adaptados a la hora de efectuar simulaciones de tales objetos.
Se están, por tanto, sentando las bases de una nueva astronomía, la astronomía de ondas de gravitación, que puede dejar atrás la astronomía convencional
basada en la radiación electromagnética. Esta nueva disciplina, basada en la detección de ondas gravitacionales, podría darnos en el futuro información de
regiones muy alejadas en el espacio y también en el tiempo, información que con los métodos actuales no puede ser detectada.
Aportado por Eduardo J. Carletti
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