La que se avecina. Las ondas gravitacionales 2


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Continuamos con nuestro paseo por el mundo de las ondas gravitacionales. En este caso vamos a tratar de entender la física de tales ondas, su generación y su detección.

Esta entrada es la continuación de:  La que se avecina. Las ondas gravitacionales 1.

Puede que mañana, tras las rueda de prensa de LIGO y colaboradores estas dos entradas convenga tenerlas a mano para entender el aluvión de noticias que puede generar el asunto.

Vamos al lío.

Una onda

Una onda es una perturbación que se propaga en el espacio y tiene periodicidad en el tiempo y el propio espacio.  Para que quede más claro:

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Sin lugar a dudas en la imagen vemos una onda. Sin embargo, cada punto no se desplaza, simplemente sube y baja, y algo transmite la perturbación a puntos adyacentes y es el conjunto el que parece estar sujeto a una propagación.

Supón que tienes una piscina y en un punto de la superficie del agua tienes un corcho.  En un instante de tiempo puedes ver el corcho subir y bajar. ¿Podemos decir que tenemos una onda?  Bueno, tal vez sí lo podamos decir, pero lo cierto es que para poder asegurarlo sin ningún género de dudas deberíamos de tener otro corcho y notar que, tras un tiempo, el segundo corcho también sube y baja.

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Si este proceso se repite con cierto periodo podremos decir que tenemos una onda.

Estas son las ondas que tenemos en la cabeza, cosas que suben y bajan perpendicularmente a la dirección en la que la onda se propaga. Pero no todas las ondas son así.  El sonido, por ejemplo, es una perturbación que se propaga por el aire en forma ondulatoria.  Sin embargo, esa perturbación con compresiones  y rarificaciones del aire, las moléculas se apelotonan y se separan con cierta periodicidad en el espacio y el tiempo, en la misma dirección de propagación de la onda.

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Si intentamos describir estos fenómenos nos encontraríamos con ecuaciones como las que vimos en la entrada anterior (anterior) para las ondas electromagnéticas.

Además, sabemos que la velocidad de propagación de una onda depende de las características del medio por el que se propaga.  Así, podemos predecir cuando una perturbación afectará a un determinado punto de dicho medio.  La luz, que es una onda electromagnética, no se propaga con la misma velocidad en el aire que en el agua o en un vidrio. Las características del medio fijan la velocidad máxima de propagación de una determinada perturbación. Por el mismo motivo, el sonido se propaga más rápido en los sólidos que en el aire.

Pero una de las sorpresas de la naturaleza es que existen ondas que no precisan de medio alguno para propagarse.  Se pueden propagar en el vacío.  En realidad eso implica que el vacío no es algo sin estructura, más bien es algo que permite que se le perturbe y que es capaz de propagar ondulaciones en sí mismo, pero para entrar en detalles deberíamos de hablar de cuántica y nos desviaríamos del objetivo de hoy.  El caso es que las ondas electromagnéticas se pueden propagar en el vacío y la velocidad de propagación es la famosísima c=300.000 km/s.  Que para más inri es una constante para todo observador.

Para concluir con esta sección hablaremos de la generación de ondas.

Para producir una onda en una cuerda solo tenemos que sacudir uno de sus extremos.

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Para producir un sonido solo tenemos que comprimir un poco de aire y la perturbación se propagará.

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Para producir una onda en un estanque solo hay que tirar una piedra.

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Para generar una onda electromagnética solo tenemos que ser capaces de tener cargas aceleradas.

Tenemos una carga acelerada que produce campos magnético y eléctrico variables en el tiempo.  Eso hace que se produzca la propagación de una onda electromagnética

Tenemos una carga acelerada que produce campos magnético y eléctrico variables en el tiempo. Eso hace que se produzca la propagación de una onda electromagnética

Creo que la idea ha quedado clara, necesitamos una perturbación que es la que proporciona la energía necesaria para mantener el movimiento ondulatorio propagándose.

Las ondas gravitacionales

¿Cómo se pueden producir ondas gravitacionales?  Bueno, pues teniendo fenómenos que induzcan una perturbación en el espaciotiempo y que se propague a partir de ahí.  Si ahora das una palmada, fuerte, fuerte, has producido una onda gravitacional, enhorabuena. Pero su energía será una birria y la verdad, no será muy detectable. Por cierto, si has dado una palmada fuerte, fuerte, mucho me temo que ha sido totalmente irrelevante para el universo, pero que te quiten lo ondulao.

Tal vez sea mucho mejor pensar en casos muy bestias donde la gravedad sea el factor determinante.  Lo que es seguro es que para para producir una onda ha de existir una perturbación que haga que una magnitud varíe en el tiempo de forma periódica en cada punto.  En el caso electromagnético eso se consigue acelerando cargas.  Por analogía podríamos deducir que en el caso gravitatorio lo que necesitamos es acelerar sistemas con muchísima energía, es decir, que tengan mucha gravedad, que curven mucho el espaciotiempo a su alrededor.

¿Se os ocurre algo?  ¡Efectivamente!, vamos a pensar en que tenemos la suerte de tener dos agujeros negros rotando uno alrededor del otro (basta con que sean dos cuerpos compactos, como dos estrellas de neutrones por ejemplo).

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Si hay dos agujeros negros orbitándose mutuamente pues la cosa se pone interesante.  Para empezar, si pudiéramos observar el proceso veríamos algo tan loco como esto:

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Ahí se ve el efecto de lente gravitatoria combinada de dos agujeros negros orbitando uno al rededor del otro y en el que el pequeño acaba siendo engullido por el grande. O se engullen mutuamente, eso ya como prefiráis.

Eso hace que el espaciotiempo se vea perturbado y que se empiecen a propagar ondas gravitacionales.

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Esta imagen que acabo de colocar es muy sugestiva pero es un poco confusa. Da la sensación que en el espaciotiempo las ondas gravitacionales se propagan como las ondas producidas en un estanque al tirar una piedra.

En realidad, lo que tenemos que tener en la cabeza es que aquí la onda es del propio espaciotiempo, así que es todo el espaciotiempo el que oscila, se comprime y se expande.  Algo así:

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Ahora imaginad que esa onda nos llega justo desde arriba en nuestra vertical y va a pasar por la superficie de nuestra mesa.  No me preguntéis por qué pero en la mesa hemos puesto un círculo de canicas.  Si la onda es lo suficientemente intensa lo que veremos es que sobre nuestra mesa las canicas hacen lo siguiente (recordad, la onda nos llega desde arriba en nuestra vertical y atraviesa la superficie de la mesa):

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Eso es lo que veríamos, y eso sería el indicio de tener una onda gravitacional pasando por ahí.  Sí solo un indicio, ahora hablaremos de ello.

Detecciones indirectas

Tenemos evidencias indirectas de la existencia de ondas gravitacionales.  ¿Cómo? Bueno, tal vez haya que hacer una enumeración de los hechos que nos llevan a pensar tal cosa.

1.-  La Relatividad General predice la existencia de ondas gravitacionales en sistemas que impliquen cuerpos compactos orbitando.  Las predice en más situaciones pero ese es el más simple.

2.-  Ese sistema de dos cuerpos compactos en orbitando uno alrededor del otro perturba el espaciotiempo y genera ondas, según la Relatividad General.  Ese es el sistema que inyecta la energía a la onda y permite su propagación.

3.-  Si ese sistema “da” la energía al fenómeno la energía del sistema se ha de ver reducida.  Como es un sistema orbitando, una reducción en su energía se traduce en que su órbita se hace más pequeña, o que su periodo se reduce, cada vez están más cerca y giran alrededor el uno del otro más rápidamente.

Pues bien, el primer sistema en el que se vio una reducción del periodo orbital de dos objetos compactos fue anunciado por Taylor y Hulse demostrando que la reducción observada del periodo de dos púlsares orbitando mutuamente estaba en perfecto acuerdo con lo predicho por la Relatividad General en lo tocante a la generación de ondas gravitacionales.

Es decir, tenemos dos púlsares, objetos (estrellas de neutrones generalmente) que emiten radiación electromagnética en direcciones fijas y en periodos fíjos.

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Si tenemos dos de estos objetos girando uno alrededor del otro hay una relación entre los periodos de los púlsares y el periodo de la órbita que describen.  Así podemos ver si el periodo aumenta o disminuye.

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Si el sistema binario está perdiendo energía el periodo de la órbita es cada vez menor (cada vez giran uno alrededor del otro más rápido).  Eso nos dice la Relatividad General, y eso es debido a que el sistema está drenando energía en forma de ondas gravitacionales.

Hulse y Taylor midieron la variación del periodo en el púlsar binario y encontraron que su disminución de periodo coincidía con lo predicho por la Relatividad General.

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Es decir, podríamos decir que se estaban produciendo ondas gravitacionales.  Pero esto es, sin duda, una comprobación indirecta.  Nos falta ver una onda gravitacional pasando por encima de nosotros y atravesándonos.

La comprobación directa

Bueno, para comprobar directamente que ha pasado una onda gravitacional solo tenemos que usar luz. Un láser, para ser precisos.

Como sabemos, la luz, como buena onda, es capaz de producir interferencias. Si cruzamos dos haces de luz de manera inteligente podemos producir una interferencia.  La interferencia proporcionará una región en la que habrá franjas brillantes y franjas oscuras.

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Esto se consigue con un sistema de brazos perpendiculares en los que se hace circular los láseres y se hacen interferir en la región que vamos a tener en el laboratorio.  Una versión a pequeña escala sería:

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El patrón de franjas brillantes y oscuras, la distancia entre ellas, su grosor, etc. Dependen de las distancias de los brazos que haya recorrido la luz.  Así si tenemos distancias fijas el patrón de interferencia permanece inalterado.

Eso es lo que vamos a aprovechar para intentar ligar una onda gravitacional.  Lo que pasa es que el cacharro tiene que ser muy grande para poder ser lo suficientemente sensible al paso de una onda gravitacional.  Para eso se han construido los complejos LIGO.  Esos son dos brazos de 23km de largo, más o menos, por los que circular un láser que se hace interferir.

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Si una onda gravitacional nos llega desde arriba producirá una variación, muy pequeña, pequeñísima, de las longitudes de los brazos de luz y eso se traducirá en una variación del patrón de interferencia.

¿Pero cómo podemos estar seguros?  Claro, con un LIGO de estos pues no estaríamos muy seguros de si ha pasado una onda gravitacional o ha sido una casualidad.  Por eso el proyecto LIGO, que está en Luisiana y Washintong, tienen detectores compañeros distribuidos por el planeta:

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Con esto se consigue tener detecciones independientes. Se puede calcular la velocidad de propagación de la onda. Se ve qué detector se dispara primero y cual es el segundo en dispararse, midiendo la diferencia de tiempos y sabiendo la distancia podemos dar un valor de la velocidad de propagación.  Para las ondas gravitacionales esperamos que la velocidad de propagación sea la velocidad de la luz en el vacío, eso nos dice la Relatividad General.

Además con todos esos detectores repartidos por el mundo se puede saber de qué dirección viene la perturbación.  Junto a estos detectores hay toda una red de telescopios para radio, rayos-X, etc, que apuntarán al sitio de donde se haya localizado la procedencia de la onda detectada.

Y si todo va bien, puede que LIGO ya haya ligado una onda gravitacional. Tendremos que esperar a mañana para salir de dudas.  Pase lo que pase, el asunto es apasionante.

Nos seguimos leyendo…

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22 Respuestas a “La que se avecina. Las ondas gravitacionales 2

  1. Me encanta la entrada…consigue hacer asequible lo que sin duda no lo es.

  2. Pingback: La que se avecina. Las ondas gravitacionales 2 ...

  3. Pingback: Así se liga una onda gravitacional con LIGO. Para todo el mundo. | Cuentos Cuánticos

  4. Respecto a la cesión de energía del sistema para la producción de la onda, me pregunto yo también: sin necesidad de perturbaciones y pensando en un campo estático gravitatorio (eléctrico, magnético, …, lo que queramos salvo un campo de fútbol) en el que una partícula inmersa en él está dotada de una energía potencial, esta energía cuya única causa es la presencia de la masa (carga) que lo origina, ¿no provoca inmediatamente una cesión de energía del causante del campo hacia la partícula “campante”? Es decir, ¿el sólo hecho de tener masa o carga no implica una emisión de gravitones (electrones) que “drena” energía del objeto masivo?

    • No, para campos estáticos. Y la gravedad ni siquiera es un campo, en el sentido de Maxwell o clásico. La cesión de energía gravitacional en un sistema compuesto se da cuando existe cuadrupolo, que es, por ejemplo, la configuración detectada: dos agujeros negros orbitando, y luego la fusión en un agujero negro de Kerr asimétrico, hasta que el sistema alcanza el estacionario y deja de emitir radiación gravitatoria.

      • Ya. “Cuando se da cuadrupolo”, perfecto. Eso no me aclara gran cosa.
        Lo que digo es que si un objeto masivo deforma el espacio tiempo circundante y a través de ello causa una aceleración en otro cuerpo, dotándole de una energía, pues que esa energía de dónde sale. Sólo puede extraerse del cuerpo masivo, entiendo, a base de drenarlo lentamente.

        • te pasas el tiempo comentando si te crees tan listo porque no escribes un libro ya que eres un gran fisico…. veo que no tienes ni idea y comentas segun las tonterias que has leido por internet.

  5. Por cierto, la entrada, SUBLIME, pero como ya nos tienes acostumbrados, paso de decírtelo por si te lo crees y acabas bajando el listón.

  6. ¿Pero cómo entender todo esto sin que el espaciotiempo sea un tejido absoluto que todo lo llena (el vacío lo llena todo) de un modo muy similar al eter que tan denostado (incluso proscrito) está? En 1905 Einstein mandó al carajo de un plumazo al eter lumínico, pero en 1915 trajo en sustitución otro éter: el espaciotiempo relativista.

    • josemalopezfernandez

      Porque el eter si que era algoabsoluto e inmovil que llenaba el espacio-tiempo, mientras que el espacio-tiempo de la teoría general de la gravedad es algo dinámico en continuo cambio según los movimientos de las masas o enrgía que por lel pululan. Por eso cuando dos agujero negros muy masivos giran uno entorno del otro se produce una variación muy intensa del campo gravitatorio en su cercanias y más débil a 1000 años luz, donde estamos nosotros con el sistema LIGO tratando de capatar esos minúsculos cambios del valor de la gravedad de la tierra que producen las ondas gravitacionales que nos llegan. ¿No es fantástico?

      • En mi opinión el espaciotiempo es un éter actualizado, relativista, activo, y absoluto pero de 4 dimensiones por lo que los observadores en sus trayectorias por esta sustancia de 4 dimensiones obtienen medidas de x, y, z, t subjetivas ligadas sólo porque la velocidad de la luz es constante.
        Me refiero a que el espaciotiempo es “algo físico” como era el éter. No es lo mismo pero es el mismo concepto.

        • josemalopezfernandez

          No considero yo que sea el mismo concepto. Desde la antigüedad se tenía conciencia de que había un espacio y un tiempo desligados el uno y del otro y I. Kant decía que eran formas (el espacio y el tiempo) “a priori” de la sensibilidad de toda experiencia, para él no era ni un concepto de la mente, ni algo existente fuera de la mente, estaba dentro de sus categorías. Fue el iniciador del idealismo alemán. Con Einstein pasamos al espacio-tiempo y se abandona la idea del éter como una sustancia sutil e inmóvil existente dentro del espacio por la que se propagaba la luz y que podía servir de marco de referencia respecto del cual medir el movimiento de otros cuerpos incluida la propia luz, Las ondas gravitacionales son deformaciones de la propia topología del espacio-tiempo y nada tiene que ver con ser una sustancia como el éter, y por supuesto no nos sirve para establecer ningún marco de referencia privilegiado para estudiar el movimiento. Las deformaciones las producen tanto la materia como cualquier tipo de energía según el tensor de fuerza-energía y momento. Por eso considero que comparar el espacio-tiempo de Einstein con el concepto del éter, no es físicamente correcto y confunde más que aclara.

          • El éter lumínico tenía 3 dimensiones. Era espacio y era absoluto. Como el tiempo que era absoluto por su lado de forma independiente.
            El espaciotiempo, amigo, es igual de absoluto pero flexible dentro de sí. Absoluto en tanto que sólo hay un único espaciotiempo. Lo que es relativo a cada observador es el espacio y el tiempo.
            Pero absoluto no significa inmutable. De hecho, dado que el espacio se deforma por la presencia del la masa-energía que alberga, y está masa-energía fluye de acuerdo a la geometría del espaciotiempo, se produce una perturbación mutua que provoca las ondas gravitacionales.

  7. josemalopezfernandez

    Enhorabuena por el artículo es perfectamente intuitivo y los dibujos animados inmejorables. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) Solo remarcar que lo que se perturba es el propio espacio-tiempo, y eso desplaza las zonas de interferencia de los rayos laser. Para completar el día esta mañana a las 06 horas Carlos Alsina ha comenzado su informativo con la noticia del LIGO que se hará pública simultaneamente desde distintas ciudades esta tarde sobre las 16,30 hora española. Poco a poco, ¡Vamos mejorando!

  8. Al parecer, se trata de dos agujeros negros cortejandose a casi la velocidad de la luz hasta la cópula final, donde fusionan sus masas y emiten una cantidad de energía colosal en este polvazo cósmico, que sería la causante de la detección. Quién sabe si ña pareja tendrá agujeritos, si serán también negros, blancos o multicolor.

  9. Sería interesante que explicaras por qué se tiene que usar un láser para el experimento. Puede ser algo evidente, pero se me ocurrió que quizá alguien pueda preguntárselo. También explicar por qué esta detección es distinta a detectat un gravitón y su analogía con un fotorreceptor y detecciones de fotones individuales.

  10. Una pequeña corrección: los brazos de LIGO solo miden 4km, no 23. Aunque son cavidades de Fabry-Pérot, así que con las reflexiones múltiples, los rayos recorren unos 1600km
    https://www.ligo.caltech.edu/page/ligos-ifo

  11. A veces eres un tanto impertinente y chocante, pero definitivamente tienes un don único de compartir el conocimiento, atribuyele ese obsequio a quien tu quieras, pero nadie es mejor que tú en cuanto a este tipo de divulgación se refiere. Para los que nos fascina la astrofisica pero somos neófitos empíricos en el tema, entradas como esta y muchas otras de tu autoría son como un verdadero vaso de agua fresca en el desierto. Muchas gracias por tomarte el tiempo y el esfuerzo de compartirlas.

  12. Antonio (AKA "Un físico")

    “Puede que LIGO ya haya ligado una onda gravitacional”, pues qué buena onda, ¿no?.

  13. Gracias por divulgar.

  14. Al parecer, lo que se ha detectado es la fusión de dos agujeros negros de varias decenas de masas solares cada uno, y la señal es inequívoca e impresionante. Sale publicado en Nature mañana.

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